現代科技引領乳業發展

張 灝

江南大學食品學院

牛奶是大自然賜予人類近乎完美的食品，對于改善國民身體素質具有重要作用。本文從人類史和乳業史的角度入手，介紹了乳業對人類發展的重要作用及其相互選擇科學規律，回顧了乳業發展進程中關鍵的技術變革；從乳業全產業鏈的視角，介紹了現代科技在奶牛養殖、乳制品加工和質量控制方面的引領作用；結合《健康中國2030規劃綱要》和《國民營養計劃2017-2030》等國家重要文件精神，闡述了基因、飲食、腸道菌群對人體健康的互作機制，展望了未來乳制品與益生菌、乳基個性化營養食品、個體性差異對益生菌的要求等發展趨勢。

乳業史上的重要技術變革

人類史與乳業史

新時期時代中東地區人類進入農耕文明，開始馴化野牛獲得牛奶作為食物補充。但除嬰兒外，成人均不能消化和利用乳糖，需要經過乳酸菌自然發酵將乳糖降至可以接受的水平，因此，出現了酸奶和奶酪的雛形。

隨著新時期文明的傳播和人類遷徙，乳業也由中東地區逐步進入歐洲各地。8 400 年前，到達希臘，8 000 年前，到達巴爾干半島，7 500 年前，到達中歐（乳糖酶啟動子基因突變），6 500 年前，乳業在中歐已經高度發達（考古學家在波蘭發現了7 000 年前用于奶酪制作的篩子）。約7 500 年前，人類乳糖酶啟動子上的一個基因突變（13910 C＞T）使飲奶成為可能，提高了人類在自然災害導致的饑荒時期的生存率，也為乳業的發展奠定了基礎[1]。

成人乳糖酶表達水平與人類遷徙路線及親緣關系的遠近具有較高的相關性。以中東和歐洲為例，親緣性較近的地區，乳糖酶的表達水平相近；歐洲地區較高的乳糖酶表達水平與乳糖酶基因上游的13910*T有關，而沙特和西非地區較高的乳糖酶表達水平與乳糖酶基因上游的139078*G、13915*G、140108*C位點相關[2]。

乳業史上的技術變革

主要的技術變革有：奶牛品種選育和確定、巴氏殺菌技術、酸奶菌種、殺菌、CIP和灌裝技術的進一步發展和完善[3]（圖1）。

圖1 主要技術變革及時間點

現代科技引領乳業發展

現代奶牛養殖技術

奶牛育種技術

奶牛育種技術已由最初的體貌觀察過渡到以奶牛生產性能測定（DHI）為指導的奶牛育種階段，基于基因組研究的分子育種正在興起（圖2）。育種技術使奶牛單產顯著提高，單頭奶牛產奶量世界紀錄為32.7噸/年，全球牧場平均單產水平最高的為以色列，達到了13.8 噸/年。

圖2 奶牛育種技術發展的三階段

奶牛飼喂技術

針對奶牛不同生理階段的營養需求，涉及不同的飼料配方，通過TMR飼喂技術使良種奶牛的生產性能發揮最大化。我國奶牛年平均單產已由“十五”時期（2001～2005年）的3 噸多提高到現在的6 噸多，國內領先水平已接近國際先進水平（超過10 噸/年）。現在TMR技術正在向TMF技術發展，該技術是通過預先的體外發酵，達到瘤胃內部環境最適合干物質通過的速度，使生產性能極大化的更加有效的飼養技術。

粗飼料質量已經成為制約奶牛生產性能的瓶頸，通過植物乳桿菌、戊糖片球菌、布氏乳桿菌等菌種的組合發酵，提高青貯飼料的品質和喂養效果。青貯飼料的作用：改善適口性；提高采食量；提高飼料利用率（約40%）；提供菌體蛋白；提供微生物；防止瘤胃酸中毒；降低飼料成本；但要注意霉變帶來的黃曲霉毒素超標問題。

環境控制技術

北緯、南緯47度是最佳奶牛飼養帶，如歐洲的法國、荷蘭，大洋洲的新西蘭，美國的威斯康星，中國的東北、內蒙古等。而低緯度地區夏季高溫高濕，奶牛產奶量甚至下降50%，但其通過建立“風機+噴淋+噴霧”的防暑降溫模式，可有效緩解熱應激（圖3）。

大規模集約化飼養帶來了巨大的環境保護壓力，通過科學的處理方法可最大程度地降低奶牛糞污對環境的影響（圖4），如處理后的牛糞經過發酵后可作為牛床墊料（圖5）。

圖3 “風機+噴淋+噴霧”的防暑降溫模式

圖4 糞污處理過程

圖5 奶牛發酵床的制作

現代乳品加工技術

生物技術在乳品加工中的應用

酶制劑在乳品加工中有著廣泛的應用，有力推動了乳品加工技術進步，表1為乳品加工中應用的酶制劑的種類和作用。世界第一大酶制劑公司——丹麥諾維信，酶制劑產品中已有80%是采用基因工程改造菌株進行發酵生產。以干酪加工中起決定作用的凝乳（Chymosin）為例，在美國和英國（90%）已采用基因重組和表達的方式生產。

酶法制備低聚糖，選用簡單乳糖、蔗糖等雙糖為底物，由轉移酶催化合成，或多糖限制性水解制得低聚果糖（FOS）和低聚半乳糖（GOS）等。該反應條件溫和、無害化副產物、能夠選擇性的制備目標產物，已成為低聚糖制備的主要生產技術。母乳低聚糖（HMOs），其結構復雜（200 多種），是重要的雙歧因子。目前使用酶法制備已產業化應用的有GOS。杜邦和荷蘭Inbiose聯合開發的2’-巖藻糖基乳糖（2’-FL）也已于2018年上市。

酶法改性或合成結構油脂，利用脂肪酶選擇性地催化甘油酯的分解或合成，從而改變油脂的結構和組成，提高油脂的營養性和適用性。以棕櫚油、棕櫚油硬脂精或棕櫚酸三甘油酯等與油酸或油酸低級醇酯（油酸甲酯或乙酯）為底物通過酶法酯交換技術合成制備人乳脂替代品，如1，3-二油酸-2-棕櫚酸甘油三酯（OPO）。

表1 酶制劑的種類和作用

乳酸菌與益生菌在乳品加工中的應用

直投式發酵劑（DVS）是指在不經傳代而直接投入發酵罐（食品）中的干粉狀發酵劑或冷凍濃縮型發酵劑，已廣泛用于酸奶、奶酪、發酵果蔬汁、泡菜等多個領域。其技術優勢：不需擴培、節省時間；接種量更為精準；不易產生噬菌體和雜菌污染；運輸儲藏容易；產品質量穩定和安全；產品口感和風味多樣化；可搭配專利功能益生菌。

聯合國世界衛生組織（WHO）和美國糧農組織（FAO）賦予益生菌的定義為：一類活的微生物，當足量攝入后對宿主健康有益。近年來的科學研究表明，益生菌具有調節腸道功能，如防治便秘、腹瀉、慢性腸炎等；預防代謝綜合征，如高血壓、高血脂、高血糖等；免疫調節和慢性免疫疾病的干預，如過敏、哮喘、皮炎、痛風等；緩解毒害因子的作用，如重金屬、微生物毒素、塑化物等導致的中毒。

全球益生菌相關產業市場規模約420 億美元，并以20%速度遞增；國內目前市場規模達到400 億元，2020年將達850 億元。專業化的國際知名菌種公司和益生菌乳制品生產企業包括：CHR HANSEN、DUPONT、Nestle、DANONE、Yakult、Valio等（圖6）。

圖6 國際知名菌種公司及其菌種

菌株是生產發酵乳的關鍵，功能明確的益生菌菌株是核心競爭力的體現。乳制品是益生菌的理想載體，長期以來是其最大的應用領域；近年來，保健食品、固體飲料、營養棒等產品成為了益生菌行業新的增長點（圖7）。

圖7 乳酸菌應用的領域

新技術、新裝備在乳制品加工的應用

大型自動化收奶和冷卻系統：抑制了原料乳初始菌數的升高，目前國內管理水平優秀的大型牧場原料乳微生物均能保證在5 萬CFU/毫升以下。

UHT、無菌灌裝以及紙塑多層復合材料技術：使得UHT液態乳的貨架期延長至12 個月（國外進口）。但過高強度的熱處理會導致產品營養、風味、口感（色澤）品質的劣變。

柵欄技術：由德國肉類研究中心微生物和毒理學研究所所長Leistner率先提出。其作用機制是利用調節食品中的各種有效因子，以其各因子的交互作用來控制腐敗菌生長繁殖，提高食品的品質、安全和儲藏性。

ESL技術：柵欄技術在乳制品加工的具體應用。從接收原料、灌裝、產品包裝（近似無菌）的過程中，提高設備的清潔型和殺菌性，防止二次污染、提高品質的制造工藝。

膜技術：廣泛應用于干酪副產物乳清蛋白的處理中，多種膜技術的組合可以實現乳成分的精細化拆分，也可實現原料乳的低溫濃縮（UF、RO）。已商業化的產品有牛奶濃縮蛋白（MPC）、牛奶分離蛋白（MPI）、乳清濃縮蛋白（WPC）、乳清分離蛋白（WPI）、乳鐵蛋白、乳白蛋白、乳礦物鹽、乳糖等[4]。

在工業4.0、工業互聯網、物聯網、云計算等熱潮下，制造企業都開展了智能工廠建設實踐，已有多家乳品企業開始了智能化工廠建設項目。隨著電磁閥的普及和智能工廠的建設，CIP清洗已經逐步實現了程序化和自動化控制。智能化、數字化和立體化倉庫的使用，提升了倉庫利用效率、物流配送管理水平，為全程追溯奠定了基礎。乳品智能化工廠需要高度重視柔性化制造，應當特別注重建立智能制造單元，能夠適應多品種的混合生產，尤其是配方配料、新鮮類乳品包裝。

乳基功能性食品

營養療法是節省醫療費用的最佳手段，是健康中國戰略的重要舉措。牛奶是大自然賜予人類近乎完美的食品，在特殊膳食食用食品的開發方面具有巨大的優勢。近年來，國內外針對糖尿病、運動、肌肉修復、胃腸吸收障礙、蛋白過敏等方面開發了許多乳基功能性食品，即特殊膳食用食品（圖8）。

圖8 特殊膳食用食品的分類

現代乳品質量控制技術

新型乳品檢測技術

生物芯片、液/氣質聯用、多重PCR、環介導等溫擴增、核酸探針、基質分子印跡、生物傳感器等新技術已逐步應用于食品安全檢測領域，高通量高靈敏度的現代生物技術具有高效、信息量大和高特異性等優勢。如病原微生物檢測（基因芯片）、農獸藥殘留檢測、動植物疾病檢測、轉基因食品檢測。

全程可視化追溯技術

隨著“互聯網+”的發展，消費者對食品的追溯需求由傳統的信息追溯，逐步升級為全程視頻追溯（圖9）。

圖9 信息追溯和全程視頻追溯

未來展望

國家戰略

中國大健康產業正處于黃金發展時期，增長空間巨大，2020年，總規模將超過8 萬億人民幣，2030年，總規模將超過16 萬億人民幣。在此大環境下，乳品、益生菌等健康食品的發展充滿機遇。

個性化營養

美國《食物療法協會雜志》預言：營養基因組學是在人類基金組學基礎上崛起的下一個技術和商業前沿。集成基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學等食品組學、食品加工基礎、食品安全調控學、個體和分子營養學等技術和方法，根據每個人基因差異來制定個性化飲食方案，提出更具靶向性的個性化營養膳食干預。

腸道菌群的個體差異

胃腸道和微生物構成了一個空間、時間和功能特性的相互作用的生態系統，并符合群落生態學理論。而入侵生態學理論（Invasion Ecology）可為了解外來物種進入穩定生物群落提供研究框架。所選用的益生菌菌株需要根據種族、地域[5]、基因型[6]、年齡[7]、生理狀態、環境因素（飲食）[8，9]等進行綜合考慮。C