基于牛奶的熱處理加工工藝變化比較分析

郭利亞，杜兵耀，趙廣英，張養東，張 偉，武旭芳，張曉建

1 河南科技學院，河南新鄉 453003

2 中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，北京 100193

3 河南花花牛乳業集團，河南鄭州 450000

0 引言

隨著食品工業和科技的發展，乳制品加工熱處理工藝持續變化和進步，我國奶業行業對外開放和技術融合度不斷加深。近年來，國內乳制品市場新品涌現，有低溫、常溫等液態奶產品，也有奶粉、乳酪等干乳制品。特別是延長貨架期的低溫液態奶的出現，引起人們對乳制品加工的密切關注。牛奶的熱處理加工工藝不同，對應生產不同類型乳制品產品。牛奶的熱處理加工工藝，直接影響牛奶中營養物質種類和含量的變化，特別是熱敏性的生物活性成分[1]。全球新冠肺炎疫情發生以來，牛奶等乳制品因其較高、較優質的營養價值，消費需求持續增加，人們對牛奶及其生產技術的關注度也越來越高。隨著行業內外探討和交流日益增多，筆者對國際國內通行的熱處理技術和方法進行歸納、整理和分析，比較牛奶熱處理工藝變化，為進一步了解牛奶生產，研究乳制品熱處理加工技術等提供參考。

1 乳的來源及加工

1.1 乳的來源和牛奶生產

傳統可提供人類作為食物的乳汁，主要的奶畜品種，有牛（羊）、駝、馬（驢）、鹿四個種類。不同奶畜分泌的乳汁，滋氣味、乳固形物、乳脂肪、乳蛋白、乳糖、礦物質、維生素等成分含量各不相同。特別是乳脂肪中飽和、不飽和脂肪酸比例，乳蛋白中酪蛋白、乳清蛋白比例等差異較大，其中的生物活性物質差異更大[1，2]。因此，不同奶畜的乳汁，需要與之相匹配的熱處理加工工藝，才能滿足或達到商品生產的要求。

世界范圍看，可食用的乳的來源比較廣，其中牛奶產量占比最大[3]。世界上存欄最多的奶畜品種是牛，牛奶生產量大，消費多，分布廣泛。同樣，我國奶類產量最大的是牛奶，主要來自荷斯坦牛[4]。根據我國乳品國家安全等相關標準，乳制品主要以?；蜓蚰虨樵?，而牛奶的產量占絕對的主導。統計數據顯示，2019年，全國奶類產量3297.6萬噸，其中牛奶3201.0萬噸，牛奶產量占奶類總產量的97.9%[5]。2020年，我國牛奶產量3440.0萬噸，同比增長7.5%。因此，本文討論熱處理工藝主要針對牛奶。

1.2 牛奶的加工要求

牛奶熱處理工藝與牛奶核心價值功能緊密關聯，奶業發展的理論和實踐發現，牛奶中的鈣與蛋白質是牛奶的基礎營養屬性，而天然活性物質才是牛奶的核心價值載體，但其受熱易發生失活或產生損傷[6]。然而，用于生產乳制品的生乳中會存在對人類身體健康有害的致病菌，為保證食用安全，需通過熱加工處理進行殺滅，降低或消除人類乳源性疾病發生的風險。

奶業生產的目的是消費者的健康，牛奶真正作用在于保障人類健康的能力，這是奶業的價值本源[7]。因此，牛奶熱處理工藝需要圍繞其真正價值發揮作用，減弱、降低或抑制，甚至違反奶業真正價值的熱處理工藝都存有一定缺憾，需要審視和改進。同時，也要看到，牛奶熱處理工藝是輔以實現奶業真正價值的一種手段、方式或方法。對于牛奶健康價值屬性而言，生乳起著基礎作用，生乳本身的質量或等級決定著乳制品的品質，而熱處理工藝是在生乳條件下的質量安全加工配置選擇。

生產實踐中，從液態奶產品的加工工藝來看，盡管食品添加劑的使用、包裝材料的變化和商品名稱的多樣化，表面上新產品層出不窮，但實際的加工生產技術，即牛奶熱處理工藝沒有大的或根本變化。目前，嚴格來看，生產中使用巴氏殺菌（也稱巴氏消毒）、高溫殺菌（包括有巴氏高溫殺菌、超巴氏殺菌、過巴氏殺菌）和高溫滅菌等牛奶熱處理工藝，一定程度上存在偏離原有標準和技術規范的現象，表現在“超強度加熱”或“過度加熱”的情況[8]，易給奶業市場培育和奶業持續健康發展帶來一些誤判或產生技術阻礙，需要引起行業的高度警覺和重視[9]。

2 牛奶熱處理工藝典型的基礎理論

20世紀中期，在牛奶熱處理研究的基礎上，研究者們總結發現了熱處理條件下牛奶內生變化或反應的兩個基礎理論[10]。兩者已成為現代牛奶熱處理工藝及技術發展的重要理論依據。

2.1 理論一：乳蛋白的熱穩定性

乳蛋白熱穩定性，關聯乳蛋白熱穩定性體系動力學平衡。研究認為，牛奶中的乳清蛋白隨著加熱溫度提高而發生變性。對熱處理強度條件進行精準控制，將促使熱處理過程中的乳清蛋白分子與牛奶中的酪蛋白結合，即乳清蛋白結合到未變性的酪蛋白大分子表面的特定位點（圖1）[10，11]。此過程能達到有效減弱或降低乳清蛋白因逐步受熱變性而發生沉淀，從而使整個牛奶蛋白質體系穩定性大大提高，并能經受的超高溫加熱溫度，減少因高強度熱處理導致蛋白質空間結構的變化，為高溫或超高溫處理牛奶提供了理論支持和工藝操作上的可行性。

圖1 酪蛋白結構及乳清蛋白結合位點示意圖[10，11]

2.2 理論二：乳的殺菌效應與乳中化學反應的速差

乳的殺菌效應與乳中化學反應的速差，即乳在熱處理條件下，乳的殺菌效應和乳中物質化學反應存在的速度差異。研究發現，在高溫情況下，牛奶熱處理工藝溫度發生變化而保持時間不變時，或者保持時間發生變化而熱處理溫度不變時，引起殺滅微生物的速度和乳中化學反應速度的變化。但這兩種變化程度存在差異，即變化發生的加速度不同。研究表明，一般在高于100°C情況下，溫度每升高10℃，殺滅微生物的速度升高8～10倍，而引起乳中化學反應的速度只升高2～3倍[10]。加速度的差異，保證殺滅生乳中微生物的同時不引起乳中化學反應劇烈發生，是實現高溫或超高溫工藝處理牛奶可操作的一個基礎原理。

基于該理論，以牛奶為例，奶業生產中形成了常見的三大類液態奶的熱處理工藝，分別是巴氏殺菌、高溫殺菌、高溫滅菌。其中，高溫滅菌又分為直接法UHT滅菌、間接法UHT滅菌、一步保持法滅菌、二步法保持法滅菌。三大類熱處理工藝參數變化差異很大[12～15]，以適用不同生產目的和得到不同的乳制品。

3 牛奶熱處理工藝變化比較

3.1 熱抑菌

熱抑菌是一種對原料奶進行熱處理的方法，嚴格意義上看，不在牛奶三大類熱處理加工工藝之中。

3.1.1 熱抑菌的概念

熱抑菌是對生乳進行加熱處理的一種形式，不屬于牛奶熱處理工藝范疇。國際乳品聯合會（International Dairy Federation，IDF）術語標準是Thermization[16]，譯名較多，如預巴氏殺菌、原料乳的預殺菌、初次殺菌[17]。Thermization是對生乳施以輕度加熱并立即冷卻，以最低限度改變生乳性質的處理方法，主要作用和目的在于提高生乳在冷鏈條件下的保存能力。在實踐中，加熱溫度為60～65℃，保持時間為10～20.00s。歐盟（EU）標準釋義為將生乳加熱到57～68℃并保持至少15.00s，生乳中的堿性磷酸酶未失活的加熱方法[18]。生乳經過Thermization后，國際標準認為其不屬于生乳，而成為乳制品加工過程中的一種原料。在國內，一般乳品企業會按照設備廠商的乳制品工藝推薦，對新入廠驗收后的生乳進行一次Thermization處理，儲存一段時間后再投料加工[12]。因國內沒有Thermization的術語或標準，而該工藝發生在正式熱處理工藝之前，且熱強度低于巴氏殺菌工藝，因此，行業內也稱該處理為預巴殺。但就國際上的標準釋義和作用來看，熱抑菌更為準確[19]。

3.1.2 熱抑菌的作用

熱抑菌的作用是為了一定程度上延長原料奶的保存時間，以解決現實生產中原料奶使用或儲存可能遇到的暫存等問題，但熱抑菌非必選項。按照國內優質乳標準要求，如果原料奶檢驗合格入廠后冷藏保存，按生產計劃等待時間不超過24h，無需實施熱抑菌。國際上，對生乳采取熱抑菌操作和控制，只在極低程度上影響生乳的天然狀態。但從國內一些乳品企業在這個環節的操作看，受生乳質量、儲存時間、安全保障等諸多因素影響，很大程度存在過度熱抑菌的情況，有的達到或超過巴氏殺菌的熱處理強度[19]，人為增加了對牛奶熱傷害次數和程度。

因此，在牛奶的加工工藝鏈條中，一般情況下熱抑菌是個別產品的可選項，其他常規品種非必選項。當收集生乳的存儲要求和范圍，存在超出預期生產冷藏時間，采用熱抑菌處理是一種較為適合的選擇。經過熱抑菌處理的生乳，在冷藏條件下最長存儲期3～5天[16]。而實施不恰當的熱抑菌或過度熱抑菌操作，不僅產生電、水、熱等資源浪費，也損傷生乳固有的優質特性，降低產品質量。

3.1.3 熱抑菌的應用

熱抑菌加熱強度不足以殺滅致病菌，熱抑菌的操作過程，殺死了部分細菌，其目的和效果是為了抑制牛奶里微生物的生長和活動。熱抑菌是在投料加工之前延長原料奶保存時間的一種方法。經過熱抑菌處理的生乳，屬性發生變化，適用面縮窄。目前，在我國一些乳品加工線上，采用熱抑菌的技術參數一般是80～90℃、15.00s，遠遠大于EU和IDF的標準要求，也大于巴氏殺菌工藝熱處理強度，存在生乳前冷鏈控制和奶源質量管理隱患，同時，熱抑菌可能存在的過熱操作，客觀上對復原乳檢測產生一定干擾[19]。

實際生產中，如何判斷牛奶是否經過熱抑菌，國際標準推薦了一個可檢測的指標是堿性磷酸酶[20]。如果該加工環節中牛奶的堿性磷酸酶為陽性，可判定是熱抑菌；反之，說明采用的不是熱抑菌，而是等于或大于巴氏殺菌強度的牛奶熱處理加工工藝。

3.2 巴氏殺菌熱處理工藝

3.2.1 巴氏殺菌熱處理工藝分類

從巴氏殺菌工藝形成與發展看，巴氏殺菌工藝可分為低溫長時間巴氏殺菌工藝（Low Temperture Longer Time，LTLT）和高溫短時間巴氏殺菌法工藝（High Temperture Shorter Time，HTST）兩類。

（1）LTLT

LTLT主要采取間歇方式，在夾套鍋等設備中，分批次對生乳處理，殺菌溫度（64±1）℃并保持該溫度至少1800.00s，該方法建立并驗證了牛奶熱處理工藝中溫度和保持時間兩者組合的殺菌效應。同時，實踐中證明，該工藝的應用既能殺滅有害致病菌，又能有效防止對牛奶色香味的破壞。第一屆國際乳品聯合會大會議討論過LTLT方法，有力推動了巴氏殺菌法及巴氏殺菌奶最終進入市場。

（2）HTST

HTST基于LTLT而建立，由于LTLT是采用間歇式的生產方式，生產效率低。20世紀30年代后，學者在此基礎上進行研究，開發出能夠連續不間斷處理牛奶的新工藝，典型參數是將牛奶升溫至72℃，并在此溫度下保持至少15.00s的新工藝，與LTLT等效。為了區分與LTLT工藝的不同，將該工藝也稱作連續式巴氏消毒法。經研究和驗證，在HTST基礎上，與之等效的有殺菌溫度更高而保持時間更短的工藝參數，如89℃/1.00s、90℃/0.50s等[21]。

巴氏殺菌熱處理工藝產生和發展過程表明，熱處理溫度高低與保持時間長短的合理有效組合，決定著生乳殺菌程度和產品品質的高低，這是牛奶熱處理工藝的關鍵參數。熱處理后的牛奶表現出來的“色香味”變化，是其內部組分在熱處理條件下，產生物理、化學等變化的一種外在反映和表征，這種反映和表征與熱處理工藝直接相關。

3.2.2 巴氏殺菌熱處理工藝分析圖

20世紀中期前后，研究者進一步對巴氏殺菌熱處理工藝參數和效果進行評價，首次繪制出了較為全面科學的巴氏殺菌熱處理工藝圖（圖2），指導巴氏殺菌熱處理工藝操作，擴展和加深人們對巴氏殺菌熱處理工藝的理解[20]。

圖2 巴氏殺菌熱處理工藝分析圖[20]

圖2顯示，巴氏殺菌以殺滅生乳中的致病菌為目的。結核桿菌是生乳中可能存在的常見致病菌，是耐熱致病菌的一個典型代表，熱處理后保證結核桿菌被殺滅，牛奶的安全性就得到解決。“結核桿菌死滅線”是臨界限，也是巴氏殺菌工藝的下限，線上任取一點，對應的溫度與時間組合的殺滅效果等同，即在此線的上方越遠，殺滅效果表現越好；在此線下方越遠，則殺滅效果越差。同理，在“乳油層減退線”上任意取點，在線上方越遠，乳油層減退現象越明顯；而在線下方越遠，減退現象越不明顯。因此，可以說“結核桿菌死滅線”是巴氏殺菌熱處理工藝的底線，也是巴氏殺菌奶的基準線。

具體看，如果產品需求是乳油層可見，那么實施巴氏殺菌操作的參數組合，就是在“結核桿菌死滅線”上方和“乳油層減退線”的下方，即兩條線所圍成的區域內。以此類推，產品需求不同，選擇的區域就會發生變化。圖2所示，在“結核桿菌死滅線”上方，繪制有一條“殺菌標準線”，該線上的點表示其熱處理強度大于“結核桿菌死滅線”上的點，是帶有“安全系數”的保障線，避免“結核桿菌死滅線”所代表的熱處理參數實際操作中可能會發生的風險?！敖Y核桿菌死滅線”或“殺菌標準線”沿線向左上方取點的空間遠大于向右下方取點，說明巴氏殺菌熱處理工藝中，低溫長時間處理工藝比高溫短時間處理工藝，在提高牛奶品質的選擇空間上表現更大、優勢也更為明顯。美國和大洋洲多采用“殺菌標準線”設置工藝參數，認為線上所有的點對應的溫度和時間組合是等效的。但事實上，上下兩個限制線的“距離”不等，因此，并非完全等效，這為優化工藝提供了理論基礎和空間。隨著對乳品科學，特別是人們對乳中生物活性成分的認識，研究者對巴氏殺菌熱處理工藝的不斷補充和完善，引入了工藝效果評價指標，對巴氏殺菌法進行了優化，形成了新的巴氏殺菌熱處理工藝圖（圖3）[21]，下限是“堿性磷酸酶失活線”，該線在“結核桿菌死滅線”的上方，代替了圖2中的“殺菌標準線”，進一步強化牛奶的安全保障，上限是乳過氧化物酶失活線，代替了圖2中的“乳油層減退線”，突出牛奶中生物活性物質的保留。

圖3 新的巴氏殺菌熱處理工藝分析圖[21]

由此可見，巴氏殺菌熱處理工藝的方向和根本，是保障牛奶的食用安全和健康營養功能。從巴氏殺菌熱處理工藝的演變和應用看，巴氏殺菌工藝是牛奶熱處理技術的基礎，是使用范圍最廣的工藝，也是牛奶殺菌工藝的關鍵核心技術[21]。巴氏殺菌工藝的重要性不言而喻，例如，美國連續實施多年的《美國優質乳條例》（Grade“A”Pasteurized Milk Ordinance，簡稱PMO），是以巴氏殺菌工藝為標準出臺的液態奶生產監管強制性法令[22]，PMO從國家整體層面認識到巴氏殺菌熱處理工藝具有應用的廣度和基礎性。

3.3 高溫滅菌熱處理工藝

3.3.1 高溫滅菌熱處理工藝分類

從高溫滅菌工藝產生和發展看，主要可分為保持法滅菌熱處理工藝和超高溫滅菌熱處理工藝（Ultra-High Temperature Instantaneous Sterilization，UHT）兩類。

（1）保持法滅菌熱處理工藝

國際上，保持法滅菌因操作程序不同分為兩種，工藝參數也不同[21]。一種是在用容器做密封包裝之前或包裝之后經過滅菌，并符合國際標準IDF發布的《滅菌乳檢驗方法（1969）》中“合格樣品的品質指標”規定的乳制品，也可稱為一步保持法滅菌。另一種是指在較低的滅菌溫度下，保持一定時間，再在超高溫中維持較長時間的熱處理后所得的制品，傳統上的做法是先密封在容器內再滅菌，也稱為二步保持法滅菌。

（2）UHT

UHT滅菌牛奶，是原料奶在保持連續流動的狀態下，在不低于132℃的溫度加熱很短時間[21]，然后經無菌包裝的一種滅菌產品。在所有經過高熱強度處理的滅菌乳制品中，這種產品在化學、物理和感官特性方面變化相對較小。UHT技術是對巴氏殺菌法和保持法滅菌熱處理工藝的創新改進。在實際市場上，既能使消費者擺脫巴氏殺菌奶需冷藏的冷鏈條件制約，購買和消費牛奶更便捷；又實現在常溫條件下，延長牛奶的保質期的需求。與保持法滅菌奶相比，無論工藝或效果，技術進步顯著；但與巴氏殺菌奶相比，天然活性營養物質及保留率、牛奶滋氣味等方面相差很大。

3.3.2 高溫滅菌熱處理工藝分析圖

20世紀下半葉，隨著對牛奶熱處理技術的研究逐步深入，基于最大限度保留牛奶中的天然營養物質的原則，在篩選加工工藝的同時兼顧營養物質的保留程度，有研究者在滅菌工藝操作溫度（100～160℃）范圍內，提出了以1%賴氨酸失活、90%耐熱蛋白酶失活、3%硫胺素失活等物質變化的幅度為基準。實踐中通常把“耐熱芽孢55℃對數致死值=9線”作為高溫滅菌熱處理工藝的下限，“3%硫胺素失活”線作為上限，來評估保持法滅菌和超高溫瞬時滅菌兩者的差異。同樣，與繪制巴氏殺菌熱處理工藝分析圖一樣，研究者將研究結果繪制出了高溫滅菌熱處理工藝分析圖[22]（圖4）。

圖4 高溫滅菌熱處理工藝分析圖

圖4中的黃色矩形，是優化的傳統高溫高壓保持法滅菌工藝參數組合點的集合區域。一般以110℃，保持10～20min組合居多；紅色區域，是超高溫瞬間工藝的范圍，是一個三角形的開口區域，由“3%硫胺素失活線”和“耐熱芽孢55℃對數致死值=9線”匯合而成。其中紅色三角形的開口朝向右下，與圖2中的三角形開口朝向相反。這說明，在UHT范圍里，當殺菌溫度大于100℃時，在同樣滅菌效果前提下，提高殺菌溫度的同時相應縮短保持時間，對保護牛奶的營養成分優勢更大，因為圖中顯示紅色區域右下方的點比左上方的點，距離“3%硫胺素失活線”和“1%賴氨酸失活線”更遠，營養成分保留率更高。不過，這個觀點與殺菌溫度低于100℃的巴氏殺菌工藝正好相反。如前所述，對于巴氏殺菌工藝來說，在同樣殺菌效果前提下，延長保持時間同時降低相應溫度，對降低牛奶熱損傷效果更明顯。

3.4 高溫殺菌熱處理工藝

高溫殺菌熱處理方式（Extended Shelf-Life，ESL；Ultra Pasteurization，UP）[21,23]，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[21]。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。

牛奶的熱處理理論和技術進步，促使高溫殺菌工藝已在多個生產企業應用，但國際上對ESL或UP的工藝標準一直進行著討論，還未達成一致共識。IDF曾專題討論有關ESL產品技術和產品的問題，表明ESL或UP技術的產生并在行業內進行論證，也標志著牛奶的直接加熱法熱處理技術正在步入液態奶商業化生產領域。在此之前，直接加熱法主要局限在工業大包粉的生產中，由于物料在整個加工過程中受熱強度低，在最終產品奶粉的功能性指標，如乳清蛋白變性等方面能得到明顯的改善。同時，ESL的工藝對生乳要求也在增加，以適應工藝條件和效果，如IDF提出對ESL類產品適用的原料奶新增耐熱細菌的要求等，顯示了ESL整個工藝體系還需要進行深入研究和持續的驗證。

2019年，我國奶業市場公開資料顯示，有乳品企業已在積極嘗試直接加熱的高溫殺菌熱處理技術，采用生乳噴入高溫高壓蒸汽倉的方式，殺菌溫度更高而保持時間更低，降至0.09s，產品的保質期在冷藏條件下達到21天，乳鐵蛋白和乳球蛋白等生物活性物質含量明顯高于UHT奶，低于巴氏殺菌奶，為消費者提供了一種新的牛奶產品選擇。2020年1月，中美兩國正式簽署的第一階段經貿協議，中美雙方就乳制品達成一系列貿易條款中，第一條就是ESL乳的貿易[23]。但對ESL技術及ESL乳來說，我國目前沒有直接對應的ESL或UP乳的國標。ESL乳貿易的啟動，也將對我國乳制品加工和標準制定與完善提出新的更高的要求。

4 小結

牛奶的熱處理工藝，就液態乳而言，國際國內主要有巴氏殺菌、高溫殺菌（ESL或者UP）、超高溫滅菌和保持法滅菌等工藝，工藝核心是加熱溫度和在此溫度下的保溫時間兩個工藝參數的組合，即熱處理強度。區分這些工藝，除了具體工藝參數外，還包括關鍵指示物，在經典工藝分析圖中（圖1～3）區分的界限，表現在主要的“4條線”分隔上，分別是“堿性磷酸酶失活線”“乳過氧化物酶失活線”“耐熱芽孢55℃對數致死值=9線”和“3%硫胺素失活線”。因此，嚴格執行牛奶熱處理工藝，既是保證液態奶食用安全性和營養品質高低的關鍵因素，也決定了奶類資源是否最大程度優質化和充分有效利用。同時，從牛奶健康功能的最新研究上看，更是乳的非營養功能發揮的有效控制手段[24]。

從2 0世紀8 0年代國際援助我國奶類發展項目[25]，到進入21世紀我國奶業實現跨越發展[26]，當下，在乳制品的品類上，我國主要還是液態奶和奶粉兩個品類。而牛奶熱處理技術多數采用間接式熱處理方法，工藝可決定產品性質和品質，從技術角度看，還存在很多情況和問題需要改進和解決。對牛奶熱處理加工技術的客觀回顧，一定程度會幫助人們理清對牛奶熱處理工藝的認識，幫助乳品企業產品定位，發揮各自優勢，差異化競爭。未來，優化和激發奶業優質資源利用效率是方向[27]，行業內應切實踐行奶業高質量發展要求，合力促進優質奶源發揮優質價值，落實健康中國戰略和健康中國行動（2019—2030）具體重大行動要求[28]，堅守奶業發展初心，持續推動牛奶等乳制品的健康核心功能惠及更多消費者。