牛奶主要熱處理工藝對比分析

郭利亞，趙廣英，武旭芳，張 偉，張養東

1 河南科技學院，河南新鄉453003

2 河南花花牛乳業集團，河南鄭州450000

3 中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，北京海淀 100193

0 引言

牛奶的營養價值高，富含多種生物活性物質，易消化吸收，是人們重要的食物來源之一[1，2]。隨著現代農業和食品工業的發展，乳及其制品的熱加工處理工藝持續改善和進步。近來，國內乳制品市場新品持續涌現，不斷增加的產品品種，引起了消費者對液態牛奶產品生產工藝的關注，特別是高溫殺菌新鮮牛奶、膜過濾復合工藝鮮奶等多種需低溫冷藏、保質長的液態新鮮牛奶商品的推出，在市場和行業內引起人們對牛奶加工工藝的討論，本文以液態牛奶為分析對象，對生產中通行的幾類主要牛奶熱處理工藝進行比較分析，為進一步研究乳制品熱處理加工理論、技術和熱處理工藝的應用選擇等提供一些參考。

1 牛奶熱處理工藝

乳的來源較廣，奶畜養殖種類多，其中牛奶占比最大[3]。牛奶的營養健康作用，在世界范圍內得到普遍認同。為保證飲奶安全，避免人們牛奶源性疾病的發生，各國普遍采用熱處理工藝對牛奶進行殺菌處理。牛奶熱處理工藝與牛奶的營養價值緊密相關，也成為牛奶熱處理工藝完善、改進、優化的前提。

1.1 基本概念

按照國際上通行理解，牛奶熱處理工藝主要是指熱處理強度等于或高于巴氏殺菌的所有加熱處理技術[5]。在理想條件下，牛奶熱處理過程是基于牛奶熱穩定原理，以目標保質期為參照，原則上盡可能適度、連續、一次性、完整的完成加工，并做到不改變或者少改變牛奶的天然狀態，不引入、不增加，并且可以有效消除乳制品食用時的不安全因素。

1.2 概念比較

國際上，歐盟（European Union，EU）和國際乳業聯合會（International Dairy Federation，IDF）制定的牛奶熱處理概念及標準具有代表性和權威性。

EU以熱處理后牛奶中的特定指示物定義牛奶熱處理工藝，認為牛奶熱處理工藝是使牛奶中的堿性磷酸酶呈陰性結果的所有加熱方式[6]。堿性磷酸酶是牛奶中的一個熱敏感指標，其鈍化或失活，表明該批次牛奶中的致病菌被殺死。堿性磷酸酶的提出，給牛奶熱處理工藝下的產品判定提供了具體可控目標，方便檢測和判定，具有較強指導性和操作性。

IDF以巴氏殺菌熱處理工藝為界限進行定義，認為熱處理工藝就是能達到控制微生物的生命活動，主要指殺死或殺滅微生物，提高產品性能，不管是直接或間接加熱，加熱強度相當于或高于巴氏殺菌的加熱方式[7]。

可以看出，對牛奶進行加熱操作，小于巴氏殺菌熱處理強度，不屬于牛奶熱處理工藝范疇，反之則屬于牛奶熱處理工藝范疇。因此，不論EU還是IDF的規定，從熱處理工藝的實施效果上看，內在含義和邏輯基本一致，即達到殺死牛奶中的致病菌，保障牛奶食用安全，是熱處理強度的基本要求，也是熱處理工藝的“底線”。

同時，結合兩者提出的概念，得到一個判定熱處理工藝指標，即牛奶中的堿性磷酸酶活性。當其檢測結果為陰性，則此工藝屬于牛奶熱處理工藝范疇；若是陽性，盡管也是采用加熱方法，則不屬于牛奶熱處理工藝范疇，應稱為其他名稱，比如國際標準中的“Thermization”，中文釋義為“熱抑菌”[8]。

因此，根據國際通行對牛奶熱處理工藝的認定，巴氏殺菌工藝本身及熱處理強度高于巴氏殺菌工藝的熱處理，其檢測堿性磷酸酶呈陰性，即為牛奶熱處理工藝劃分的參照，經過該處理工藝的牛奶成為與之對應的牛奶產品，比如巴氏殺菌奶、高溫滅菌奶，或者稱為“以經過熱處理的生奶為原料”的奶酪、酸奶等乳制品；而熱處理強度低于巴氏殺菌處理工藝，堿性磷酸酶呈陽性的加熱處理操作，不屬于牛奶熱處理工藝。

2 牛奶熱處理工藝的產生及演變

從世界牛奶熱處理工藝的發展來看，19世紀中期法國科學家路易巴斯德發明巴氏消毒法以來，有近160 年的發展歷程。伴隨著社會經濟發展和科學技術進步，牛奶熱處理工藝經歷了巴氏殺菌熱處理工藝、高溫滅菌熱處理工藝以及介于巴氏殺菌和高溫滅菌之間的熱處理工藝的3 個階段，對應產品的不同貨架期，形成了目前世界上多數國家通行使用的三大類熱處理工藝，即為短保質期產品的巴氏殺菌熱處理工藝、長保質期產品的高溫滅菌處理工藝和適中保質期產品的高溫殺菌熱處理工藝[9]。

2.1 巴氏殺菌熱處理工藝

巴氏殺菌熱處理工藝是為了避免人們受到生乳中病原微生物帶來的危害風險，使用特定設計的設備、規范的操作，而對生乳采用的一種相對溫和的熱處理方法。巴氏殺菌熱處理工藝在有效殺滅生乳中病原微生物的同時，產生最低程度的化學、物理以及感官變化[10]。巴氏殺菌熱處理工藝是最早獲得商業化應用的熱處理工藝。巴氏殺菌熱處理工藝不能把生乳中所有微生物殺滅，但可將微生物數量降低至對公眾健康不構成危害的水平[11]，使處理后的牛奶感官、理化、滋氣味、口感等指標變化小。我國國家標準中有巴氏殺菌乳的產品標準《GB19645—2010食品安全國家標準 巴氏殺菌乳》，但沒有巴氏殺菌熱處理的工藝標準。2018年以來，國家奶業科技創新聯盟制定發布的奶業創新團隊技術規范《MRT/B02—2018優質巴氏殺菌乳》，及天津市奶業科技創新協會制定的團體標準《T/TDSTIA 004—2019 優質巴氏殺菌乳》《T/TDSTIA 009—2019 高溫巴氏殺菌乳》中，已嘗試將巴氏殺菌奶產品標準與巴氏殺菌熱處理工藝要求相結合，接軌了國際通行做法，有助于國內巴氏殺菌乳等乳制品形成一個完整的標準體系。

2.2 高溫滅菌熱處理工藝

牛奶的高溫滅菌熱處理工藝，出現在罐頭食品被發明以后，仿照其制作方法，在高壓設備中對牛奶進行高溫高壓長時間滅菌處理。與滅菌的罐頭食品相似，在高溫高壓滅菌工藝處理后，牛奶可以實現商業無菌，常溫儲存，貨架期達半年及以上，解決了牛奶無法常溫長時間保存的問題。但由于在該工藝條件下，牛奶色香味與生乳差別比較大，出現之初市場反應不強、熱度不大。20世紀60年代，該工藝得到不斷的改進和完善，建立了超高溫瞬時滅菌工藝（Ultra-High Temperature Sterilization，UHT），與高溫高壓的保持法滅菌相比，實現了牛奶商業無菌、產品貨架期基本一致，但熱處理強度顯著降低，產品品質顯著改善。國際也對牛奶高溫滅菌熱處理工藝進行了規定，主要是指經受充分的熱處理、灌裝在嚴密封口的容器內、符合國際和IDF規定的、在常溫下保存能保持“商業無菌”的乳制品生產方法[12]。

2.3 高溫殺菌工藝

高溫殺菌工藝，國際上也稱ESL或UP（Extended Shelf-Life，ESL；Ultra Pasteurization，UP）。針對UHT產品仍存在的口感差、活性物質保留低、糠氨酸生成量高等問題，高溫殺菌工藝被提出并應用，與UHT相比，該工藝既能延長牛奶保質期，又保留一定程度生物活性物質。典型的工藝操作是使用傳熱速度要快于間接加熱法100 倍左右的直接加熱法，利用牛奶中蛋白質體系穩定的特征，將牛奶噴入高溫高壓的水蒸氣艙或者將高溫高壓的水蒸氣噴入牛奶艙，迅速（比如0.2 s）提升生乳溫度至殺菌溫度（比如133 ℃），短時快速升溫有利于減緩營養物質發生化學反應。精確控制保溫時間（比如0.5 s）后，利用“閃蒸”方式，釋放設備倉中產生的高壓，使奶溫迅速（比如0.2 s）下降，同時蒸發掉由高溫高壓蒸汽帶入的多余水分，在同樣條件下，直接加熱法處理的牛奶保質期，是間接法的兩倍[13]。采用ESL或UP加工的生牛乳，牛奶中的活性營養保留程度可達到與巴氏殺菌奶水平相當，且牛奶中的微生物殺滅程度比巴氏殺菌奶更大，但達不到UHT工藝的滅菌程度。在生產工藝后端，若采用超凈灌裝方式，相同冷鏈儲運條件下，牛奶產品的保質期實現延長和增加，比巴氏殺菌奶的保質期更長，一般情況下可超過20 天。在市場經濟條件下，該熱處理工藝優勢明顯。

2.4 牛奶熱處理工藝技術關鍵

以牛奶為例，主要的三大類液態奶熱處理工藝及參數見表1[9，14～16]。不同的牛奶熱處理工藝中的熱處理溫度和在該溫度下的保持時間，是兩個關鍵因素。“溫度-時間”科學匹配組合，才能成為標準中要求的“適宜熱處理強度”，既殺滅牛奶中所有的致病菌，保證食用安全，也最大程度保留牛奶天然固有風味、質地以及多種生物活性物質，達到承載牛奶健康功能的核心屬性。簡言之，就是在確保安全的前提下，對生乳實施最溫和的熱處理。奶業多年發展的實踐表明，特別是20世紀70年代以來，人們已經認識到，在熱處理工藝下，牛奶色香味的改變就是其內在品質的降低。牛奶熱處理工藝，首要出發點是建立以生乳為基準的效果參照，最大程度減少牛奶色香味變化，這也是選擇熱處理工藝的一項基本原則和要求[17]。

表1 常見液態奶類（牛奶）熱處理工藝及參數表

2.5 熱處理與非熱處理比較

熱處理目的是對生乳以加熱方式進行殺菌或滅菌，除了采取加熱的方法，殺菌或滅菌也有其他途徑。熱加工處理或非熱加工處理的選擇，既要看效果，也要兼顧生產可行性[17]。牛奶加工技術的進步和發展中，出現了超聲、微波、輻照等加工方法的嘗試，也有采用超高壓條件進行滅菌[18]，但存在大規模生產不易操控，生產中可能引發的乳成分物理化學性變化也缺乏有效評估及系統研究，導致難以適應商業化的應用推廣。此外，還有不殺菌的一些方法，利用物理方式進行多級離心過濾，例如微濾、超濾、納濾等，達到分離除菌的目的，但該方法存在物理分辨度不高等問題，易將具有與微生物表現同樣物理性質的乳成分一同分離除去，影響實際生產應用，而多采用協同方式，在過濾基礎上增加熱處理環節進行殺菌。目前，通行的牛奶加工工藝主要是熱處理，以易得易控熱源為媒介，較好實現或達到有效殺滅牛奶中有害微生物和鈍化某些酶類的效果，使牛奶能滿足與人們生活相適應的保存條件和一定的質保期限。

3 結語

牛奶熱處理工藝，是奶及其制品加工技術中的關鍵環節，不同的處理工藝得到不同的制品或產品。牛奶核心價值在于健康保障，即發揮提升和維護人們健康水平的功能[4]。熱處理工藝直接影響牛奶的性質、狀態和成分。牛奶核心價值的實現，需要選擇與之相應的、匹配的熱處理工藝，減弱、降低或抑制甚至背離奶業真正價值的熱處理工藝都存有一定缺憾，需要審視、改進或完善。當前，奶業生產實踐中，基于牛奶熱處理工藝基礎，存在“超強度加熱”或“過度加熱”的情況[19]，易給奶業市場培育和奶業持續健康發展帶來一些誤判和影響，需引起行業的警覺和重視。因此，在液態奶生產實踐中，建議結合實際和健康需求，因地制宜，科學合理選擇牛奶的熱處理加工工藝。