超高壓在乳品加工中的應用研究進展

高 鑫，李 博，劉小杰*

（上海城建職業學院城市食品安全研究所，上海 201415）

超高壓（ultra high pressure，UHP）技術是指利用100 MPa以上的壓力，在常溫或較低溫度條件下，使食品中的酶、蛋白質及淀粉等生物大分子改變活性、變性或糊化，同時殺死細菌等微生物的一種食品處理方法[1-2]。當食品在超高壓狀態下時，小分子（如水分子）間的距離會縮小，而大分子，如蛋白質等仍保持原狀。這時水分子就會產生滲透和填充作用，進入并且黏附在蛋白質等大分子團內部的氨基酸周圍，從而改變蛋白質的性質，當壓力下降為常壓時，“變性”的大分子鏈會被拉長，使其部分立體結構遭到破壞，使蛋白質凝固、淀粉變性、酶失活或被激活，細菌等微生物被殺死等，可較好地保持食品原有的營養價值、色澤和天然風味[3]。酪蛋白是牛乳中的主要蛋白質，UHP處理可以使酪蛋白膠粒直徑變小，乳蛋白表面暴露的疏水性基團增加，引起乳清蛋白變性，使其黏度、持水性、溶解性、乳化性均有較大幅度的提高[4-5]。隨著國內非熱加工技術的發展，UHP加工技術也成為研究熱點之一。

本文綜述國內外UHP乳制品加工領域的最新研究進展，重點分析UHP技術對發酵乳、干酪等的影響，探討基于UHP的乳制品加工可行性與實效性，以期為此技術更好、更廣泛地應用提供理論基礎。

1 UHP對原料乳的影響

1.1 UHP對乳蛋白的影響

UHP對牛乳蛋白質結構的影響在很大程度上取決于分子壓縮和處理過程中體積的減小[1]。在低蛋白質含量和壓力小于300 MPa條件下，會發生可逆變性，而在壓力大于300 MPa條件下，會對蛋白質結構和功能有不可逆的影響[2]。從蛋白質結構的角度來看，由于疏水相互作用對壓力非常敏感，因此蛋白質的四級結構經常受到UHP的影響[3]。此外，在壓力大于200 MPa條件下觀察到蛋白質的三級結構發生較大變化，而二級結構的變化則在更高的壓力下發生，從而導致不可逆變性[1]。一些研究表明，使用冷卻裝置時，在壓力高達400 MPa的條件下，UHP只會使蛋白質的二級或三級結構發生微小變化[4]。

1.1.1 UHP對酪蛋白的影響

UHP會改變牛乳蛋白的化學性質，改善其在乳制品應用中的功能特性。UHP對牛乳性質的改變主要集中在：1）酪蛋白膠束的收縮和/或破壞；2）乳清蛋白，特別是β-乳球蛋白的變性；3）礦物平衡的改變，主要是由于酪蛋白膠束釋放出膠體磷酸鈣[5-6]。Han Tinglu等[7]研究發現，UHP會使酪蛋白的二級和三級結構發生變化，暴露出更多的親水氨基酸殘基，表面疏水性變差，溶解度顯著改善。隨著壓力的增大，酪蛋白的多聚體結構被打碎成更小的顆粒，同時小顆粒之間發生交聯和重組，使得內部疏水性氨基酸殘基更加隱蔽；親水區域暴露增多，表面疏水性降低，溶解度明顯提高，離心后沉淀減少[1]。盡管酪蛋白結構是開放的，但酪蛋白膠束是可壓縮的，會在高于200 MPa的壓力下被破壞[1]。經過250～300 MPa的長時間處理后，酪蛋白膠束碎片通過疏水相互作用重新組裝，形成膠束狀超分子結構[8]。在膠束酪蛋白濃縮物質量濃度為10 g/100 mL的情況下，350 MPa以上的壓力處理會產生類似于弱凝膠的均勻網絡[9]。總的來講，UHP處理減小了酪蛋白超分子結構的流體力學直徑，因此降低了懸浮液的濁度；增加酪蛋白的水合作用；引起膠體磷酸鈣的輕微溶解[10-11]。經過UHP處理后，酪蛋白超分子粒徑從約160 nm減小到100 nm，因此，脫脂牛乳變得半透明[12]。

1.1.2 UHP對乳清蛋白的影響

UHP能夠破壞乳清蛋白的三級結構，對其二級結構的影響相對有限，400 MPa以上的高壓處理會導致脫脂乳中的乳清蛋白變性，從而減少β-折疊和α-螺旋的含量[13]。此外，在600 MPa壓力條件下，已經觀察到形成主要由涉及β-乳球蛋白和κ-酪蛋白的二硫鍵穩定的大聚集體[12]。相反，對于在800 MPa壓力條件下處理的再水化乳清蛋白濃縮物，β-乳球蛋白之間的二硫鍵形成先于β-乳球蛋白與α-乳白蛋白或牛血清白蛋白之間的二硫鍵，與β-乳球蛋白相比，α-乳白蛋白和牛血清白蛋白的二硫鍵暴露較少[14]。UHP也會對乳清蛋白分子的分子內疏水作用和靜電相互作用表現出破壞作用，這是由蛋白質表面疏水性的增加造成的。表面疏水性可以改善UHP處理的β-乳球蛋白和乳清分離蛋白的界面性能和發泡性能[15]。

1.2 UHP對乳脂肪的影響

UHP均質處理會導致脂肪球的總面積增加，出現脂肪小球和乳蛋白的復合體。乳蛋白，特別是酪蛋白，吸附在脂肪球膜的表面，像一種天然的乳化劑。均質后的牛乳脂肪球平均粒徑為0.1～0.3 μm，經過高壓處理后脂肪球可以在一定時間內保持穩定[16]。當UHP壓力為500 MPa時會促使乳脂肪球尺寸和分布改變，在25、50 ℃時，UHP處理有增加脂肪球數量的趨勢，脂肪球直徑為1～2 μm，而在4 ℃時，這種趨勢被逆轉[17]。但是，乳脂肪球膜未發生損傷，乳脂肪球分布的改變可能是由于乳脂肪球膜的聚集和崩解，同樣，在25、50 ℃條件下，經UHP處理的牛乳顯示出乳脂肪球數量增加的優點，但在4 ℃條件下觀察到相反的現象，隨著壓力增加，亮度值（L*）下降，紅度值和黃度值增加；UHP壓力在100～400 MPa時對結晶過程中的放熱效應影響不大，研究發現，這些變化的影響取決于加壓過程中施加的壓力，加壓后的乳脂肪結晶圖像有顯著差異，在10 ℃時，200 MPa和300 MPa壓力下，樣品的晶形表面不規則程度最高，400 MPa壓力下，脂肪樣品的分形維數最低，表明不規則性最小[18]。

1.3 UHP對游離脂肪酸的影響

Gervilla等[17]關于乳中游離脂肪酸含量（乳脂的脂解）的研究表明，在4、25、50 ℃條件下，100～500 MPa的UHP處理不會增加游離脂肪酸含量；即使在50 ℃、500 MPa處理條件下，游離脂肪酸含量也比新鮮原料乳低，這些處理可以避免乳中脂解酸敗而產生的異味。

1.4 UHP對顏色的影響

Naik等[19]發現，脫脂乳經過250～450 MPa處理后L*降低，這可能是由于酪蛋白膠束被破壞[20]。有研究認為，經UHP處理后，牛乳的顏色參數會發生變化[20]。經過高壓處理后牛乳L*低于原料乳，UHP處理引起的膠束崩解也會影響牛乳顏色[21]。Harte等[22]研究發現，經過UHP處理的牛乳，由于酪蛋白膠團的變小，牛乳失去白色，變成淡黃色；牛乳在首次UHP之后再進行熱處理時恢復了白色，這可能是由于酪蛋白膠束的可逆性（或破碎的膠束重新聚集）。

1.5 UHP對維生素的影響

經過UHP處理后，牛乳中L-抗壞血酸和核黃素含量顯著降低；然而，牛乳中的吡哆醇和硫胺素含量沒有差異[20]。與會影響共價鍵和非共價鍵的熱處理相反，在20 ℃條件下進行UHP處理只破壞相對較弱的化學鍵（氫鍵、疏水鍵、離子鍵等），因此，小分子，如維生素、氨基酸、單糖和風味化合物仍不受UHP處理的影響[23]。

1.6 UHP對微生物的影響

牛乳是一種易變質的食品，熱處理可以延長牛乳保質期，但同時會破壞其天然營養成分。UHP可以殺滅微生物，保持牛乳營養價值。微生物對UHP壓力的抵抗力取決于加工條件（壓力、時間、溫度和周期等）、食物成分、微生物的生理狀態等。相比靜止期，處于對數生長期的細胞對壓力更敏感。細菌芽孢比營養細胞更具抵抗力，它們可以在1 000 MPa的壓力下存活，然而，已經發現加壓和溫和的熱處理會觸發孢子發芽，然后孢子失去對壓力和熱量的抵抗力而被殺死。革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌對壓力的抵抗力更高，例如，革蘭氏陽性菌需要在25 ℃條件下施加500～600 MPa的壓力10 min才能達到滅活作用，而革蘭氏陰性菌則可以在300～400 MPa壓力下失活。同時，UHP處理對牛乳的營養價值影響較小，研究證明，在400～600 MPa的UHP處理下，原料乳的品質與巴氏殺菌乳相同[24]。

2 UHP處理對加工乳制品品質的影響

2.1 UHP處理對干酪的影響

干酪生產過程中原料乳會經過巴氏殺菌，然而該方法會對干酪的感官特性產生不利影響，同時也會導致干酪成熟的延遲。UHP處理可以殺滅原料乳中微生物，引起蛋白質修飾，如乳清蛋白變性和膠束碎裂、乳清蛋白和酪蛋白之間的相互作用，改善凝乳酶對牛乳的凝乳及酸凝結特性和提高干酪產量等[25]。

2.1.1 UHP處理會減少干酪中致病微生物和腐敗微生物

UHP是一種有效清除干酪中致病微生物的技術，干酪品種不同所需要的UHP處理壓力和時間不同。一般來講，500 MPa的壓力水平能夠清除大多數革蘭氏陰性病原體，即使低至300 MPa的壓力水平對某些細菌物種也可能是致命的[26]。López-Pedemonte等[27]研究發現，將模型干酪接種實驗菌單核細胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）NCTC 11994和Scott A后用400 MPa或500 MPa UHP處理10 min，單核細胞增生李斯特菌NCTC 11994和Scott A在20 ℃條件下400 MPa處理時的初始菌數分別為2.9、1.5 （lg（CFU/g）），貯藏30 d后分別為5.3、4.6 （lg（CFU/g））；500 MPa處理后2 種菌的數量均減少約5 （lg（CFU/g）），貯藏30 d后數量低于1 （lg（CFU/g））。López-Pedemonte等[28]將原料乳中接種7.3 （lg（CFU/mL））的金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus），經過330、30 MPa的2 次加壓均質后，制作軟質干酪，再對軟質干酪進行400 MPa加壓處理10 min。結果表明：未加壓處理的干酪中S. aureus數量約為8.5 （lg（CFU/g）），在貯藏期間沒有顯著下降；UHP處理過的干酪貯藏第1天的S. aureus數量為5.0 （lg（CFU/g）），貯藏第15天顯著下降至2.8 （lg（CFU/g）），貯藏第30天時低于檢測限。ávila等[29]將半硬質干酪在制作后的第7天采用不同的高壓處理（200～500 MPa、14 ℃、10 min），以控制由酪丁酸梭菌（Clostridium tyrobutyricum）引起的丁酸發酵和干酪遲吹缺陷。結果表明：貯藏60 d后，200 MPa高壓處理和未添加C.tyrobutyricum孢子的干酪均表現出明顯的干酪遲吹缺陷癥狀，與未添加C.tyrobutyricum孢子的干酪相比，200 MPa高壓處理干酪乳酸、檸檬酸和乙酸含量較低，丙酮酸、丙酸、丁酸、1-丁醇、丁酸乙酯和戊酸乙酯含量較高；然而，添加C. tyrobutyricum孢子的干酪和300 MPa以上高壓下處理的干酪沒有表現出干酪遲吹缺陷，它們的有機酸和揮發性化合物含量與各自的對照組干酪相當。

2.1.2 UHP處理會加速干酪成熟

干酪成熟是干酪制作的最后一步，有些干酪成熟期長，使得成本高、價格昂貴，因此需要采取一些措施加快干酪成熟。目前，主要通過添加干酪漿、使用外源酶或輔助發酵劑來加快干酪成熟[30-31]。通過UHP處理使酶活性或底物反應性發生改變，可以縮短干酪成熟時間。Costabel等[32]研究UHP處理對Reggianito干酪蛋白水解的影響，將制作好的微型干酪（直徑5.5 cm、高度6 cm）在100、400 MPa和20 ℃條件下處理5、10 min，然后置于12 ℃成熟90 d。結果表明：UHP對干酪的組成成分沒有影響，但微生物發生了變化，特別是在發酵初期，400 MPa處理的干酪發酵劑數量比對照組和100 MPa處理組干酪顯著降低；400 MPa處理10 min的干酪纖溶酶活性顯著高于其他處理組，UHP對其他酶凝活性無影響；蛋白水解結果顯示，400 MPa處理導致干酪中αs1-和β-連環蛋白的降解增加最多，此外，400 MPa處理干酪組分中可溶性氮含量、可溶性肽和游離氨基酸的產量均顯著升高；在Reggianito干酪制作后用400 MPa的UHP處理提高了Reggianito干酪的蛋白質水解速率，加速了Reggianito干酪的成熟過程，而100 MPa處理則沒有顯著影響。

2.1.3 UHP處理對全脂干酪品質的影響

以白鹽干酪為原料，在22 ℃條件下，50、100、200、400 MPa高壓下分別處理5、15 min，并在鹽水中熟化60 d，研究壓力處理對干酪化學性質、組織結構、顯微結構和顏色的影響。結果表明：UHP對干酪中的水分、蛋白質和脂肪含量沒有影響；壓力為50、100 MPa時，未加壓干酪和加壓干酪具有類似的微結構，而壓力為200、400 MPa時，加壓干酪得到了更致密和連續的結構，這些微觀結構變化與質構變化具有良好的相關性；在200、400 MPa處理下，制成的干酪明顯更軟，彈性、黏性和嚼勁更小；在較高的壓力水平、較長的保壓時間下，干酪紅度值和黃度值有明顯差異，隨著壓力的增加，干酪變得越來越綠，越來越黃[33]。UHP還可以減少干酪的蛋白質水解，延長干酪的貨架期。用經過超濾的牛乳制作干酪，再經超高壓處理（600 MPa、5 min、25 ℃），在干酪成熟過程中，超高壓處理對顏色沒有影響，但是脫水作用隨著時間的推移顯著增加[10]。UHP處理還會導致干酪質地更硬，嗜冷菌減少，蛋白質水解減少，可以保持新鮮干酪的特性，延長產品保質期[34]。Delgado等[35]研究成熟Torta del Casar干酪在200、600 MPa高壓下冷藏5、20 min后的理化性質、蛋白質水解和質構變化，分別在加工后第60天和冷藏后第60、120、180天對干酪進行分析。結果表明：UHP處理對氮組分有顯著影響，600 MPa處理組貯藏過程中可溶性氮、總氮和非蛋白氮、總氮含量均低于對照組，酪蛋白組分的蛋白質水解程度也顯著下降；在600 MPa處理組干酪中發現的αs-酪蛋白和β-酪蛋白在貯藏結束時的水平分別與對照組干酪冷藏第120天和第180天接近；600 MPa的UHP處理可以推遲Torta del Casar干酪在較長貯藏期間的過度成熟與過量的蛋白質水解。Espinosa-Pesqueira等[36]研究發現，UHP處理會顯著影響干酪中生物胺的形成，降低干酪成熟后生物胺的含量，酪胺和腐胺變化最明顯。生物胺的減少可以解釋為微生物數量的顯著減少，特別是在干酪成熟開始時。

2.1.4 UHP處理對低脂干酪品質的影響

隨著人們飲食習慣逐漸趨向理性，日常飲食中控制脂肪攝入量的意識提高，對低脂食品的需求增加，低脂干酪的市場份額也在逐漸增大[37]。但是低脂干酪產品，尤其是硬質低脂干酪，質地干燥、難以咀嚼，風味不足。目前，提高低脂干酪質量的方式主要有3 種：一是改善制作工藝；二是使用附屬發酵劑；三是尋找脂肪替代物。其中，改善制作工藝是提高低脂干酪風味與質地最簡單、最經濟的方式。提高干酪水分含量還可以減少由低脂引起的產量降低[38]。UHP技術已經應用在干酪制作過程中，在改善干酪質地、蛋白質水解、延長保質期等方面具有積極意義。Juan等[39]利用200 MPa處理羊乳制作羊乳干酪，在干酪成熟早期短鏈脂肪酸含量較高，同時在成熟過程中具有較高的脂肪水解程度，約為對照組的2 倍。Escobar等[40]利用UHP、熱處理組合方法處理原料乳并制作新鮮Queso Fresco干酪，結果發現，干酪的水分含量和產量均明顯增加，在300 MPa處理下干酪的水分含量和產量最大。Ozturk等[41]將UHP技術應用在低鈉干酪中，結果表明，UHP處理可以縮短干酪的成熟時間，改變干酪的流變和質構特性，明顯降低發酵劑微生物數量、可溶性氮和非蛋白氮含量，影響蛋白質水解速率，進而延長干酪貯藏時間，提高干酪品質。Ozturk等[42]將制作好的低脂馬蘇里拉干酪于4 ℃保存2 周后用500、600 MPa高壓處理3 min，繼續冷藏成熟20 周。結果表明：UHP處理1 d后，500、600 MPa壓力處理組的發酵劑數量比對照組分別降低約1、2 （lg（CFU/g））；貯藏20 周后，所有干酪的乳酸菌數量均持續下降，但UHP處理組下降幅度更大；UHP處理組干酪的硬度顯著降低，然而UHP處理14 周后，600 MPa處理組干酪的硬度顯著高于對照組或500 MPa處理組，感官評定結果也顯示，UHP處理14 周后，600 MPa處理組干酪明顯比對照組或500 MPa處理組干酪硬度更高；與對照組干酪相比，UHP處理后6 周和10 周，600、500 MPa處理組干酪可溶性氮含量較低，UHP處理后10 周，所有UHP處理組干酪中完好的αs1-酪蛋白含量均顯著高于對照組；將干酪做成披薩后的感官測試結果表明，與對照組干酪相比，600 MPa處理后的干酪具有明顯的咀嚼性，起泡量更低，烘烤絲厚度更高。

2.1.5 UHP處理對低鈉干酪品質的影響

經過低鈉超濾過濾后再進行UHP處理的干酪成熟后4 d和2 周的發酵劑數量分別比對照組減少2.0、4.5（lg（CFU/g）），UHP處理使低鈉干酪在成熟過程中具有與其他低鈉干酪相似的不溶性鈣含量和pH值，UHP處理顯著增加了流變學測試中的最大損耗系數（熔融性）；感官評價結果顯示，在6 個月的成熟過程中，所有干酪都只有非常輕微的苦味，UHP處理的低鈉干酪在成熟過程中的苦味和酸度與低鈉干酪無顯著差異，對低鈉干酪進行500 MPa的UHP處理和干酪乳的強化處理可以改善低鈉干酪的品質[41]。

2.2 UHP處理對酸乳的影響

酸乳是一種受歡迎的乳制品，具有脫水收縮和低黏度的常見缺陷。通過加壓處理可以改善酸乳的貯藏特性和流變特性[43]。與常規酸乳相比，在牛酸乳凝膠形成中應用UHP可改善酸乳質地和緊實度，降低酸乳脫水收縮并增加保水能力[44]。Tsevdou等[45]利用UHP（200 MPa、20～25 ℃、10～15 min）改善酸乳質構，結果發現，對益生菌的存活沒有不利影響；在酸乳生產的最后階段應用UHP，特別是200～300 MPa處理時，酸乳的品質和感官特性得到改善，黏度增加，乳清分離度降低，益生菌活力損失范圍為0.5～1.2 （lg（CFU/g）），冷藏28 d時未見顯著的活力損失。Renes等[46]研究UHP處理對全脂和脫脂牛乳制作開菲爾酸乳品質的影響。結果表明：UHP處理后開菲爾的水分活度極顯著低于對照組（P＜0.01）；與對照組相比，UHP處理也使全脂牛乳制作的開菲爾彈性和黏性降低1.28 倍，壓力為400 MPa時，全脂開菲爾的透明度和顏色強度下降，脫脂開菲爾則相反；此外，對開菲爾微觀結構的研究證明了其結構變化。該研究結果表明，UHP處理是一種有效的加工工藝，可以開發出具有新的感官和品質屬性的開菲爾，延長保質期。Jankowska等[47]研究發現，在4 ℃條件下，200 MPa、15 min處理的酸乳中，保加利亞乳桿菌、嗜酸乳桿菌和雙歧桿菌的存活率最高，與對照組酸乳相比，加壓處理酸乳的抗菌效果更弱，同時，加壓酸乳可以使凝乳更干凈，乳清滲出量更低，加壓后觀察到嗅覺和味覺的輕微變化，但是，未加壓對照組酸乳的酸度增幅高于加壓酸乳。

2.3 UHP處理對冰淇淋的影響

冰淇淋是一種冷凍的多相混合物，其中包含脂肪球、氣泡、泡沫和分散在蛋白質、鹽和溶解糖中的冰晶相。張林[48]研究UHP處理對冰淇淋混合料及其制得的冰淇淋的影響。結果表明：UHP處理對乳脂小球的粒徑影響不大，但顯著提高了冰淇淋混合物的黏度；經UHP處理的冰淇淋比未經處理的冰淇淋具有更高的抗融化性；UHP誘導的變性乳清蛋白與酪蛋白的結合阻礙聚集，而脂肪和蔗糖的存在促進聚集；同時，碳水化合物還會減少有效水含量，降低溶劑質量，從而促進UHP誘導的酪蛋白聚集；由于這些變化，冰淇淋混合黏度增加，提高了冰淇淋的抗融化性。這些效果可用于改進低脂冰淇淋質量，制備無穩定劑冰淇淋。Voronin等[49]利用200、400 MPa高壓射流工藝研究低脂（脂肪含量4.5%）冰淇淋混合物的功能特性，經400 MPa高壓射流處理后通過共聚焦顯微鏡觀察發現，酪蛋白-脂肪相互作用和酪蛋白-酪蛋白相互作用增加，所形成的酪蛋白-脂肪復合物起到了空間屏障的作用，在靜止凍結期間可以減緩冰晶的生長；400 MPa高壓射流處理使得樣品稠度系數和粒徑增大，同時，由于混合物中氣泡的混入，樣品的密度低于對照組。

為了生產與全脂冰淇淋質地相似的低脂冰淇淋，通常會在冰淇淋混合物中加入乳清蛋白，部分變性的乳清蛋白具有較好的發泡性能，可以阻止冰晶的過度生長，并在凍結過程中保持氣泡，最終獲得較好的感官和質地特性[50]。為此，將乳清蛋白溶液在300 MPa的條件下處理15 min（初始溫度25 ℃），然后用來制作低脂冰淇淋；UHP處理后的冰淇淋混合料具有較高的黏度，得到的冰淇淋硬度提高，優于未經處理的冰淇淋[50]。Chauhan等[51]研究發現，UHP處理新鮮乳清蛋白15 min后制作成低脂冰淇淋，采用頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用對用UHP處理和未UHP處理乳清蛋白制作的低脂冰淇淋進行分析。結果表明，貯藏1 d時，UHP處理組冰淇淋中雙乙酰含量是未處理組的3 倍，然而，冷藏14 d后，冰淇淋中未檢出雙乙酰。

3 結 語

隨著我國乳制品消費量的逐漸擴大，對乳制品的品質要求越來越高，如何提高乳制品質量成為研究熱點之一。UHP技術不僅可以作為冷殺菌技術應用于原料乳滅菌，而且干酪、酸乳、冰淇淋等產品的風味、流變學特性、質構等方面品質均得到提升。UHP技術在乳制品生產上應用較少，大多數研究處于起步階段，推動UHP技術、裝備的發展，將其應用于乳制品生產中進行產業化具有重要意義。