高蛋白豆漿超高壓殺菌工藝研究

沈建華 上海清美綠色食品(集團)有限公司， 上海 201300

超高壓技術(Ultra-high Pressure，UHP)，是指利用100 MPa以上的壓力，使被處理食品中的酶類、蛋白質以及淀粉等大分子物質在常溫或較低溫度下發生失活、變性或糊化，同時對細菌等微生物產生致死效應的一種非熱食品處理方法[1-2]。與傳統的殺菌技術相比，超高壓殺菌技術對影響食品感官、風味、營養的物質破壞力較小，具有避免食品營養流失保持營養品質、保持食品原有感官風味、改善食品質量等優點，目前已成功用于果蔬汁、乳制品、水產品的殺菌過程[3-6]。

高蛋白豆漿是清美集團基于當今社會成年人和正在發育的青少年身體生長以及對牛奶易敏人群等特殊需求，而開發出的一款蛋白質含量高達5 g/100 mL、脂肪2.6 g/100 mL、碳水化合物3.4 g/100 mL的新型營養豆漿。目前，在工業化生產過程中殺菌工序是保證食品安全的關鍵環節。但是傳統的熱殺菌技術容易導致營養物質結構的破壞，而且由于高蛋白豆漿的蛋白質含量比較高，在加工過程中容易發生糊管狀況。為了解決上述問題，滿足消費者對高蛋白豆漿營養、安全的需求，本研究采用超高壓殺菌技術對清美高蛋白豆漿進行處理，探索超高壓殺菌處理工藝在高蛋白豆漿生產中的運用，以此促進超高壓殺菌技術在高蛋白豆漿工業化生產方面的創新與應用。

1 材料與方法

1.1 材料

大豆(東升1號)、食用鹽、純凈水：上海清美綠色食品(集團)有限公司提供；平板計數瓊脂(PCA)：上海博微生物科技有限公司。

1.2 儀器設備

小型大豆脫皮機，阜市魯華機械有限公司；磨漿機，上海龍育機械設備有限公司；高壓均質機，上海張堰輕工設備有限公司；多功能煮漿機，曲阜友盛機械設備有限公司；超高壓殺菌設備(實驗機型)，山西力德福科技有限公司；恒溫培養箱，上海全脈科學儀器有限公司；鼓風干燥箱，上海全脈科學儀器有限公司；電子天平(萬分之一)，上海穎領電子衡器有限公司；超凈工作臺，蘇州金大凈化工程設備有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1高蛋白豆漿生產工藝

1.3.2單因素試驗

(1) 壓力對高蛋白豆漿殺菌效果的影響

將調配均質后的瓶裝高蛋白豆漿置于超高壓UHP設備工作腔中，添加熱水至溫度為60 ℃，壓力分別設定為100 MPa、200 MPa、300 MPa、400 MPa和500 MPa，保壓10 min，取出后快速冷卻至室溫，測定處理前后的菌落總數和大腸菌群數，計算殺菌率，結果重復三次取平均值。

(2) 保壓時間對高蛋白豆漿殺菌效果的影響

將調配均質后的瓶裝高蛋白豆漿至于超高壓UHP設備工作腔中，添加熱水至溫度為60 ℃，在400 MPa壓力下，分別保壓5 min、10 min、15 min、20 min和25 min，取出后快速冷卻至室溫，測定處理前后的菌落總數和大腸菌群數，計算殺菌率，結果重復三次取平均值。

(3) 溫度對高蛋白豆漿殺菌效果的影響

將調配均質后的瓶裝高蛋白豆漿至于超高壓UHP設備工作腔中，添加熱水分別至溫度為40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃和80 ℃，在400 MPa壓力下，保壓10 min，取出后快速冷卻至室溫，測定處理前后的菌落總數和大腸菌群數，計算殺菌率，結果重復三次取平均值。

1.3.3正交優化試驗

基于單因素試驗結果，以壓力、保壓時間和溫度為自變量，以菌落總數殺菌率作為評價指標，設計L9(33)三因素三水平正交優化試驗，對高蛋白豆漿超高壓殺菌工藝進行優化。具體試驗參數如表1所示：

表1 正交試驗因素水平表

1.3.4檢測方法

菌落總數測定根據GB4789.2—2016《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 菌落總數測定》，大腸桿菌測定根據GB4789.3—2016《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 大腸菌群計數》 。

殺菌率計算公式：殺菌率(%)=(對照組菌落數—試驗組菌落數)/對照組菌落數×100%

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1壓力對高蛋白豆漿殺菌效果的影響

由圖1可以看出，壓力在100 MPa ～400 MPa之間，隨著壓力的增加，菌落總數和大腸菌群殺菌率均顯著提高，當壓力為100 MPa時，菌落總數的殺菌率只有21.15%，大腸菌群的殺菌率只有20%，當壓力達到400 MPa時，菌落總數殺菌率達到96.67%，大腸菌群的殺菌率達到100%，菌落總數從初始的1.56×103CFU/mL降低到0.52×102CFU/mL，大腸菌群未檢測出，達到國標GB/T 30885—2014《植物蛋白飲料-豆奶和豆奶飲料》對菌落總數和大腸菌群的限量標準，當壓力繼續增加到500 MPa時，菌落總數可以降低到0.15×102CFU/mL， 殺菌率可以達到99.04%，由于超高壓殺菌的機理就是通過超高壓使細胞形態發生改變，進而破壞細胞壁和細胞膜的結構，導致微生物死亡，因此，一定范圍內壓力越高，對于微生物的致死率越高。但當壓力≥400 MPa時，對于菌落總數的殺菌效果差異并不顯著，這主要是由于在此時的壓力下，大部分對壓力敏感的微生物已經被殺滅，而對壓力不敏感的芽孢桿菌及部分革蘭氏陽性菌，由于對壓力的耐受性比較強，在保證產品品質不受影響的壓力范圍內所能施加的壓力還不足以達到其耐壓上限，因此繼續加壓對其殺菌效果無顯著影響，這與姜雪等人[8]的發現一致。而且當壓力達到500 MPa時，高蛋白豆漿已經開始一定程度上發生凝固，可能由于壓力過高，造成蛋白質發生變性凝固，因此對于高蛋白豆漿的超高壓殺菌，最佳壓力選定為400 MPa。

圖1 壓力對高蛋白豆漿菌落總數和 大腸菌群殺菌效果的影響

2.1.2保壓時間對高蛋白豆漿殺菌效果的影響

由圖2可以看出，保壓時間達到10 min時，菌落總數殺菌率即可達到96.76%，菌落總數由1.39×103CFU/mL降至0.45×102CFU/mL，大腸菌群殺菌率可達到100%，完全被殺滅。保壓時間在10 min ～25 min之間，菌落總數殺菌率雖然有所提升，但殺菌效果差別不大，無顯著差異，這主要是由于保壓時間可以延長和強化超高壓對微生物的脅迫作用，一定范圍內保壓時間越長，殺菌效果越顯著，但是當保壓時間≥10 min時，殺菌效果趨勢放緩，差異不大，這可能是因為在一定保壓時間內，對壓力敏感的細菌已經基本被殺滅，對耐壓菌來說，持續延長同一保壓時間，脅迫作用效果不明顯，意義不大。喬長晟等[9]也發現了這個現象，這可能是由于長時間的保壓促使部分微生物產生應激反應而適應壓力作用。因此，綜合考慮保壓時間對菌落總數和大腸菌群殺菌效果的影響以及縮短生產周期方面，保壓時間選擇10 min。

圖2 保壓時間對高蛋白豆漿菌落總數和

2.1.3溫度對高蛋白豆漿殺菌效果的影響

溫度是影響超高壓處理致死微生物效果的因素之一, 其對微生物生長代謝和存活與否有著重要的影響[10]。由圖3可以看出，溫度從40 ℃升至60 ℃時，高蛋白豆漿的菌落總數和大腸菌群數顯著降低，當溫度達到60 ℃時，菌落總數從最初的1.5×103CFU/mL降至0.47×102CFU/mL，殺菌率達到96.87%，大腸菌群殺菌率達到100%，完全滿足植物蛋白飲料的滅菌要求。這主要是由于微生物受到熱與超高壓的協同作用后，細胞內外壓強差增大，使細胞壁和細胞膜的結構發生變化，遭到破壞，細胞內容物外泄，進而導致菌體死亡[11]。此外，適當的提高溫度有利于促進芽孢萌發，從而破壞其芽孢結構，降低其耐壓特性，提高芽孢菌的死亡率[12]。當溫度大于60 ℃時，高蛋白豆漿的菌落總數下降趨勢平緩，隨著溫度的升高殺菌率變化差異不顯著，因此確定60 ℃為高蛋白豆漿超高壓殺菌工藝的最適協同溫度。

圖3 溫度對高蛋白豆漿菌落總數和

2.2 正交優化試驗結果

以高蛋白豆漿為研究對象，基于壓力、保壓時間、溫度單因素試驗確定的最佳參數，結合超高壓設備供應商經驗推薦確定自變量水平，因試驗過程中發現所選自變量各水平組合下的大腸菌群數均未檢出，因此正交試驗中對其不做分析，根據對菌落總數的殺菌率確定最佳正交水平，試驗結果見表2。

根據表2正交優化試驗結果分析可知，高蛋白豆漿超高壓殺菌最佳工藝參數組合為A3B3C2，即最佳壓力為420 MPa，最佳保壓時間為12 min，最佳溫度為60 ℃，在此工藝條件下，菌落總數致死率可達到98.18%，高蛋白豆漿的菌落總數從最初的1.48×103CFU/mL降至0.27×102CFU/mL。根據極差分析，超高壓殺菌過程中各因素對殺菌效果的影響依次為壓力>溫度>保壓時間，即壓力對于殺菌效果的影響最大，溫度次之，保壓時間影響最小。

表2 正交優化試驗結果

3 結論

本文對高蛋白豆漿超高壓殺菌工藝進行了初步研究，確定了最佳UHP工藝條件為壓力420 MPa，保壓時間12 min，溫度60 ℃，在此參數條件下可以達到最佳殺菌效果，達到GB/T 30885—2014 《植物蛋白飲料-豆奶和豆奶飲料》對菌落總數和大腸菌群的限量標準，即菌落總數<100 CFU/mL，大腸菌群<3 MPN/mL，并能夠解決傳統殺菌技術由于溫度高容易導致蛋白質變性，引發高蛋白豆漿糊化黏壁的問題。