不同杀菌工艺对延长货架期牛乳品质的影响

任 璐

（乳业生物技术国家重点实验室，上海乳业生物工程技术研究中心，光明乳业股份有限公司乳品研究院，上海 200436）

延长货架期（extended shelf-life，ESL）牛乳最早起源于北美，意在满足消费者对牛乳营养、新鲜和安全的要求，解决了常规巴氏乳货架期短和超高温灭菌乳产品口感差、营养破坏严重的问题[1-4]。ESL不是一种杀菌方式，而是一种管理理念，指从原料乳到最终产品的各个环节都尽量减少任何形式的二次污染，减少菌落总数，来达到延长货架期的目的[5-6]。

为了兼顾营养和理想的货架期，ESL牛乳目前应用最广泛的杀菌方式是超巴氏杀菌技术，主要的措施是采用介于巴氏杀菌和超高温灭菌之间的热杀菌工艺，再通过超洁净灌装减少二次污染，生产、贮藏、分销过程中菌落数低、货架期更长的液态乳[7-8]。ESL牛乳的货架期在冷藏条件下至少15 d，最长可达45 d。目前市场上常采用120～130 ℃、2～15 s的杀菌工艺，但这势必对牛乳中蛋白的活性和部分营养物质造成破坏[9-12]，除了制定合理的热处理条件外，新工艺也开始应用到ESL牛乳的生产中，包括蒸汽浸入式杀菌[13-14]、膜过滤技术结合巴氏杀菌等[15-19]。本研究重点分析不同杀菌工艺技术对ESL牛乳品质和货架期的影响，从而为ESL牛乳的广泛应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

生乳（菌落总数＜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）光明乳业牧场。

乳铁蛋白标准品（纯度≥98%）、免疫球蛋白G（immunoglobulin G，IgG）标准品（纯度≥98%）美国Ceriliant公司；营养琼脂培养基 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

THERM-8022蒸汽浸入式杀菌机 斯必克（中国）投资有限公司；Membralox陶瓷膜过滤设备 颇尔（中国）有限公司；C8-KSR巴氏杀菌机、L6-9R稀奶油杀菌机 利乐（中国）有限公司；TDS管式杀菌设备、NS3055H均质机 基伊埃工程技术（中国）有限公司；BJ-2CD无菌操作台 上海博迅实业有限公司；WNB45恒温水浴锅、生化培养箱 美墨尔特（上海）贸易有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

原料乳经不同工艺杀菌（传统管式高温杀菌、蒸汽浸入式杀菌和膜过滤结合巴氏杀菌），生产ESL牛乳，然后冷却至4 ℃，超洁净灌装，备用。具体工艺流程如下：

1）传统管式高温杀菌工艺：原料乳→均质（65 ℃、20 MPa）→杀菌（130 ℃、2 s命名为杀菌工艺A，120 ℃、15 s命名为杀菌工艺B）→冷却→灌装；

2）蒸汽浸入式杀菌工艺：原料乳→杀菌（147 ℃、0.09 s命名为杀菌工艺C）→均质（65 ℃、20 MPa）→冷却→灌装；

3）膜（陶瓷膜）过滤结合巴氏杀菌工艺流程如下：

1.3.2 不同杀菌工艺对ESL牛乳中微生物的影响

对不同杀菌工艺制备的ESL牛乳进行菌落总数、大肠菌群和致病菌（沙门氏菌和金黄色葡萄球菌）的测定。具体参照GB 19645—2010《食品安全国家标准 巴氏杀菌乳》。

1.3.3 不同杀菌工艺对ESL牛乳货架期的影响

对不同杀菌工艺制备的ESL牛乳进行货架期测定，分别贮藏在6、10、15 ℃条件下，根据感官、菌落总数、煮沸实验、pH值和酸度，参照GB 19645—2010《食品安全国家标准 巴氏杀菌乳》判断产品货架期。

1.3.4 不同杀菌工艺对ESL牛乳中活性物质损失率的影响

对不同杀菌工艺制备的ESL牛乳进行活性物质含量测定，包括乳铁蛋白和IgG含量测定，并计算损失率。活性物质的检测参考T/CSCA 110059—2020《巴氏杀菌乳—鲜牛乳》附录方法。活性物质损失率按下式计算。

1.3.5 不同杀菌工艺对ESL牛乳中糠氨酸含量的影响

对不同杀菌工艺制备的ESL牛乳进行糠氨酸含量测定。具体参照NY/T 939—2016《巴氏杀菌乳和UHT灭菌乳中复原乳的鉴定》，结果以100 g蛋白质中糠氨酸含量表示。

1.3.6 工艺条件优化

比较4 组热杀菌工艺对ESL牛乳品质的影响，为了进一步优化工艺，分别对蒸汽浸入式杀菌和膜过滤结合巴氏杀菌工艺参数进行调整，具体工艺条件见表1，从活性物质损失率和货架期两方面评价，确定ESL牛乳优化工艺条件。

表 1 ESL牛乳的工艺条件优化Table 1 Optimization of processing parameters for sterilization of ESL milk

1.4 数据处理

实验重复3 次，用Excel初步整理数据，用GraphPad Prism 8.0软件进行统计分析，P＜0.05时，表示差异显著；P＞0.05时，表示差异不显著。

2 结果与分析

2.1 不同杀菌工艺对原料乳中微生物的影响

巴氏杀菌乳是通过适度的热加工灭活生乳中的致病菌和部分腐败菌，为了维持鲜乳的风味和营养，巴氏杀菌后的鲜乳中存在少量微生物，一般杀菌后菌落总数小于100 CFU/mL[20-22]。ESL牛乳杀菌条件的制定要考虑可显著减少牛乳中微生物数量来延长产品的货架期，同时又要最大限度地减轻由于热处理造成的产品感官质量变化[23-24]。研究不同杀菌工艺对牛乳杀菌后微生物残留量的影响，来判断是否可以作为ESL牛乳杀菌工艺。

由表2可知，原料乳经4 种不同工艺杀菌后，菌落总数和大肠菌群数量都小于1 CFU/mL，并且致病菌沙门氏菌和金黄色葡萄球菌完全被杀灭，说明4 种杀菌工艺符合ESL牛乳下线微生物含量尽可能低的要求，从而能达到延长产品货架期的目的。

表 2 不同杀菌工艺对原料乳中微生物的影响Table 2 Effects of different sterilization processes on microorganisms in raw milk CFU/mL

2.2 不同杀菌工艺对ESL牛乳货架期的影响

由表3可知，经过4 种不同工艺杀菌后，在6、10、15 ℃下贮藏的牛乳货架期存在明显差异。除C组外，随着贮藏温度升高，货架期缩短，在货架期末因出现菌落总数超标、酸度过高、性状改变而终止货架期。C组在3 个贮藏条件下最长贮藏时间45 d内都无明显风味和性状改变，微生物未超标。在6 ℃贮藏条件下，A、B、D组货架期大于20 d，说明低温贮藏有效抑制微生物的繁殖和各种酶的活性，延长了产品的货架期；在10、15 ℃贮藏条件下，D组货架期分别降至最短14、7 d，D组随温度升高货架期明显缩短，分析是因为牛乳中残留微生物，在温度升高后迅速繁殖，进而失去了饮用价值。D组产品对冷链要求最高，仅适宜在冷链好的地区销售，全程控制在6 ℃为佳；而对于冷链不够完善的地区，采用C工艺更安全。

表 3 不同杀菌工艺对ESL牛乳货架期的影响Table 3 Effects of different sterilization processes on shelf life of ESL milk

2.3 不同杀菌工艺对ESL牛乳中活性物质损失率的影响

牛乳的营养价值除了可以提供蛋白质、脂肪和无机元素等常规营养外，还含有种类繁多、无法通过其他食物提供的生物活性物质，如乳铁蛋白、免疫球蛋白、糖巨肽、乳过氧化物酶、鞘脂类等。这些生物活性物质在维持和增加机体免疫力、抑菌、抗病毒及维护肠道健康等方面发挥着重要作用[25-27]。然而，以乳铁蛋白和免疫球蛋白等为代表的牛乳中活性物质均对热敏感，研究不同杀菌工艺对ESL牛乳中活性物质乳铁蛋白和IgG损失率的影响，有助于生产ESL牛乳工艺选择。

表 4 不同优化杀菌工艺对ESL牛乳货架期的影响Table 4 Effects of direct steam infusion and membrane filtration combined with pasteurization under different processing conditions on shelf life of ESL milk

由图1可知，4 种杀菌工艺ESL牛乳的乳铁蛋白和IgG损失率有显著差异。A、B组杀菌后几乎检测不到乳铁蛋白和IgG；C组利用牛乳自由下落时与蒸汽融合杀菌，实现牛乳精准升温，达到杀菌的效果，相对传统的高温热处理工艺（A和B）而言，大大缩短了牛乳在管道内长时间升温带来的品质变化，从而保留了少量活性物质；D组乳铁蛋白和IgG损失率最低，是因为通过微滤去除牛乳中的大部分微生物和体细胞，大大降低了热处理强度，在延长产品货架期的同时更好保留了牛乳中的活性物质，提升了产品品质。

图1 不同杀菌工艺对ESL牛乳中乳铁蛋白（A）和IgG（B）损失率的影响Fig. 1 Effects of different sterilization processes on percentage loss of LF (A) and IgG (B) in ESL milk

2.4 不同杀菌工艺对ESL牛乳中糠氨酸含量的影响

牛乳中的乳糖作为还原糖，在热处理过程中与牛乳蛋白中赖氨酸之间发生美拉德反应，生成中间产物乳果糖基赖氨酸，该物质经酸水解后可生成呋喃素[28]，呋喃素又称糠氨酸。糠氨酸含量作为鉴别UHT灭菌纯牛乳或巴氏杀菌乳是否为复原乳的定量指标，同时也可以判断牛乳的热处理强度，在还原糖含量不变的情况下，温度和处理时间，即热处理强度是影响糠氨酸含量的最主要因素，过度的热处理也会导致糠氨酸含量升高。

由图2可知，4 种不同杀菌工艺牛乳糠氨酸含量由高到低依次为A组＞B组＞D组＞C组。C组将牛乳匀速通过小孔型分配板进入蒸汽罐中，牛乳温度与蒸汽温度的温差可以精准控制在1 ℃以内，并且在极短时间内完成，减少很多不必要的热处理，大大降低了美拉德反应，从而降低了总体的糠氨酸含量；D组的糠氨酸含量高于C组，分析可能原因是膜过滤前分离出的稀奶油采用120 ℃、15 s工艺处理，这部分稀奶油中含有的少量蛋白质经过120 ℃高温杀菌后发生了美拉德反应，从而提高了成品的糠氨酸含量。

图 2 不同杀菌工艺对ESL牛乳中糠氨酸含量的影响Fig. 2 Effects of different sterilization processes on furosine content in ESL milk

图 3 不同杀菌工艺对ESL牛乳中乳铁蛋白（A）和IgG（B）损失率的影响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 杀菌工艺条件优化

与传统管式高温杀菌工艺比较，蒸汽浸入式杀菌在ESL牛乳货架期方面更有优势，陶瓷膜过滤结合巴氏杀菌生产ESL牛乳在活性物质保留方面更有优势，进一步优化2 种工艺。

由图3和表4可知：对比蒸汽浸入式杀菌3 个工艺条件，降低杀菌温度活性物质含量增加不明显，且导致货架期显著缩短，增加了对销售环节冷链的要求，所以采用蒸汽浸入式杀菌生产ESL牛乳优选147 ℃、0.09 s工艺参数；对比陶瓷膜过滤结合巴氏杀菌3 个工艺条件，改变巴氏杀菌温度不能明显改变产品货架期，但是活性物质乳铁蛋白和IgG含量随温度升高显著降低，所以采用陶瓷膜过滤结合巴氏杀菌，优选72 ℃、15 s工艺参数，不仅能够更好保留牛乳中的活性物质，而且可以减少能源消耗，降低生产成本，但要注意在销售流通环节的温度控制，冷链温度控制在6 ℃以内为佳。

3 结 论

通过研究不同热杀菌条件对ESL牛乳品质的影响发现，与传统高温杀菌（130 ℃、2 s或120 ℃、15 s）比较，蒸汽浸入式杀菌（147 ℃、0.09 s）生产的ESL牛乳货架期更长，在15 ℃以下，温度的改变没有对产品货架期内的品质产生显著影响，杀菌后糠氨酸含量降低并且保留少量的活性物质乳铁蛋白和IgG，该工艺即使在冷链欠发达的地区也能够保证产品的品质稳定；膜过滤结合巴氏杀菌（72 ℃、15 s）生产的ESL牛乳，活性物质乳铁蛋白和IgG保留率更高，膜过滤后简单增加杀菌温度，对货架期没有明显改善，要确保产品品质的稳定，建议全程严格控制冷链，温度6 ℃以下，货架期内品质更加稳定。

本研究通过测定不同杀菌工艺对ESL牛乳货架期、活性物质乳铁蛋白和IgG损失率、糠氨酸含量的影响，为ESL牛乳的品质提升和新技术推广提供一定的参考依据，从而为消费者带来品质更好的ESL产品。