超高压技术在乳制品加工中应用的研究进展

(1.乳业生物技术国家重点实验室，光明乳业股份有限公司乳业研究院，上海乳业生物工程技术研究中心，上海200436；2.新乡医学院三全学院基础医学院，河南新乡453003)

超高压技术在乳制品加工中应用的研究进展

孙颜君1，孙颜杰2

(1.乳业生物技术国家重点实验室，光明乳业股份有限公司乳业研究院，上海乳业生物工程技术研究中心，上海200436；2.新乡医学院三全学院基础医学院，河南新乡453003)

综述了超高压技术在各类乳制品应用的研究进展，包括液奶、发酵乳、干酪和奶油类制品等。关于超高压在乳制品中的应用还仅是在研究阶段，市场上尚未有超高压处理乳制品销售，这些研究为促进超高压技术在乳制品加工中的产业化提供依据。

超高压技术；液奶；发酵乳；干酪；奶油类制品

0 引 言

乳与乳制品是人类膳食蛋白质和钙质的重要来源[1]。热处理杀菌广泛用于乳品加工中，会对产品的营养和风味性质造成不利影响[2]。

冷杀菌技术能够较好的保证产品在加工过程中的营养成分和风味，在食品加工中有较好的应用前景[3]。H ite[4]发现采用650MPa高压处理牛乳可以显著降低其微生物数量，延长牛乳的货架期。日本于1991年，率先在市场上推出了超高压处理果汁，果酱，大米，蛋糕和甜点等[5]。恒天然公司首先将超高压用于乳制品加工，但目前还尚未有成熟的商品进行销售。

本文介绍了超高压技术的原理和特点，并对超高压技术在各类乳制品，包括原料乳、发酵乳制品、干酪和奶油类制品等的应用进行综述。

1 超高压技术原理和特点

1.1 超高压技术原理

超高压技术遵循勒夏特勒原理和帕斯卡定律[6]。超高压处理会破坏分子间疏水相互作用、离子相互作用和氢键等非共价键，并影响蛋白质的三级结构，而不会对决定食品营养和风味的小分子造成影响[7]。

超高压典型的装置包括四个主要部分：高压处理腔，增压装置，温度控制和供能装置[8]。高压处理腔通常是由高强度的低合金钢铸造而成的柱形缸体，腔体的厚度根据最大工作压力，腔体的直径以及操作过程中超高压循环的次数来决定。当超高压设备开始增压时，传递压力的介质充满高压腔中。在食品加工中，通常采用可以饮用水作为介质。

虽然超高压为非热处理方式，在压力作用下分子内部的摩擦力作用还是会导致温度的升高[9]。

对于水相或者非脂类产品，压力每升高100 M Pa，温度会升高3℃，但对于脂肪类产品，由于脂肪具有较高的热焓值，且脂肪密度较小，压缩空间较大，因此压力每升高100 M Pa，温度升高约为10℃[10]。在实际加工中，为保证超高压处理后样品的温度在合理的范围内，超高压处理前应将样品置于高压腔中预冷至一定温度。

1.2 超高压技术在食品加工中应用的优缺点

超高压技术应用范围较广，工艺简单方便，易于规模化生产，优点包括：（1）一定压力下能够杀灭有害微生物，延长货架期2～3倍；（2）某些超高压处理产品中可以少加甚至不添加防腐剂即可以达到保藏的需求；（3）属于非热处理方式，不会对产品的风味和营养价值产生影响；（4）压力均匀瞬间的传至样品，不会改变样品的形状；（5）特定的超高压处理条件，可以改善产品的风味、质地和其他性质；（6）处理条件多样化，使得产品呈现不同的性质，生产多样化的产品类型；（7）处理工艺简单，耗时短，效率高；（8）超高压中传导压力介质可以循环利用，较为环保，很大程度满足了消费对于天然、健康和营养产品的追求。

超高压技术作为一种新兴加工方式，在食品加工中应用具有一定的局限性，如处理质地较脆的样品时，产品会发生严重形变；一些酶和芽孢对于超高压有很强的抗性，因此需要选取合适的高压处理工艺以保证产品的安全性；超高压设备成本较高，且设备技术需要进一步成熟完善。但随着超高压技术的不断发展，这些问题正逐渐得到解决和改善。

2 超高压技术在乳品加工中的应用

2.1 超高压技术在液奶加工中的应用

最早超高压应用在液奶中的目的是杀灭有害微生物，延长产品的货架期。因此关于超高压对于液奶影响的研究多集中于微生物方向。超高压杀菌的原理有别于热处理杀菌，在高压处理过程中，细胞复制和再生机制被破坏，或者细胞内部的酶系统受到干扰（图1（b））[11]。超高压处理后，细胞膜被破坏，细胞内外的营养物质和废弃物的交换运输受到影响（图1（a））。Shimada[12]等在超高压处理后的细胞外液中检测到了一些细胞内液的成分，这表明细胞膜被破坏。染色排除实验能够用来评价高压处理对微生物结构的影响，因为超高压处理后细胞先死亡，然后细胞膜破裂[13]。

图1 超高压对细胞膜和细胞内酶系统的影响[11]

超高压除菌效果与很多因素有关，主要包括高压处理条件（如压力、温度、时间和循环周期等），食品的成分和性质，微生物的种类以及其所处的生长阶段等[14]。与处于稳定生长期的微生物相比，对数期生长微生物对于高压更为敏感。芽孢在1 000 M Pa高压下尚可生存，可先用50～300 M Pa的压力处理使其活化，活化后芽孢通过热处理或者较低的压力即可以杀死。革兰氏阳性菌比阴性菌更耐压，阳性菌在25℃，500～600 M Pa下处理10 m in可致死，阴性菌在相同温度下300～400 MPa压力处理10 m in也可达到效果。但此理论目前还有一定争议，Hartm ann[15]等研究表明超高压杀菌主要取决于微生物的形态而非革兰氏性质，细胞壁不仅不会增强细胞抵抗压力的能力，反而会使得细胞更易受到压力影响，这是因为压力使得细胞壁发生形变，从而导致细胞失活[16]。最新的研究进展中，通过细胞-细胞壁-压力模型可以定量的分析压力对于细胞的影响，此模型中假设当胞内流体的压力超过一定值时细胞会发生破裂。关于超高压处理杀菌效果的研究就转化成研究微生物细胞的机械强度和影响细胞机械强度因素。

超高压对于原料乳的除菌效果已有广泛的应用，有研究表明400～600 M Pa压力杀菌效果等同于72℃，15 s热处理。在25℃，400 M Pa处理15m in，或者600 M Pa，20℃处理3 m in的牛乳可以在10℃下保藏10天[17]。不同种类致病菌和腐败微生物对压力有不同耐受性，如大肠杆菌（Escherichia coli，E.coli）CECT405、荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens，P.fluorescens）CECT 378，李斯特菌（Listeria innocua，L.innocua）CECT910，金黄色葡萄糖球菌（Staphylococcusaureus，S.aureus）CECT534和瑞士乳杆菌（Lactobacillus helveticus，L.helveticus）CECT 414对于高压的敏感性排序为：P.fluorescens＞E.coli＞L.innocua＞L.helveticus＞S.aureus。除了压力外，温度也有很大影响，P.fluorescens，L.innocua和L.helveticus在室温下比在4℃能够更耐压，但是E.coli和S.aureus在低温下更耐压。不同超高压处理条件对这些微生物的致死时间（Decim al reduction tim e，D值）如表1所示。

表1 不同微生物在不同压力和温度下的D值

如果将超高压处理与轻微热处理（30～50℃）或/和抑菌素结合（如乳酸链球菌素、盘尼西林、乳链球菌素等），可以更好的抑制微生物和芽孢的生长[18]。

超高压处理会使得牛乳中的酪蛋白胶束分散成较小的颗粒结构[19]，从而影响牛乳的颜色。Gervilla[20]等研究表明超高压处理羊奶后明度值L*降低，但是-a*和b*都增加。明度值降低主要是因为高压处理使得酪蛋白胶束成为较小的碎片，牛乳的透明度增加（如图2）。对于食品生产商来讲，用超高压进行除菌时通常不希望对食品的感官特性造成影响，因此需经过试验摸索出有效除菌且不影响产品感官性质的高压处理条件。

Felipe[21]等研究表明，超高压压力为500M Pa（25℃），β-乳球蛋白首先发生变性，继续升高温度至50℃免疫球蛋白和α-乳白蛋白才开始发生变性，根据此条件可将超高压技术来加工牛初乳，以保持免疫球蛋白的活性。

2.2 超高压技术在发酵乳加工中应用

图2 超高压处理对牛乳色泽的影响

市场上常见的发酵乳产品有三种类型：搅拌型、凝固性和发酵乳饮料。超高压技术如在发酵乳制品加工中应用，可以很好的解决凝固型酸奶硬度过低或者搅拌型酸奶黏度较低、乳清析出等问题。超高压技术在酸奶加工中应用的研究包括三个方面：（1）超高压处理过的原料乳用来发酵酸奶；（2）在超高压的条件下进行酸奶的发酵；（3）采用超高压处理包装好的发酵乳成品。

超高压处理原料乳后对其制得的酸奶性质影响已有大量的研究报道。H ernandez和H arte[22]用超高压处理牛乳，并观察其在酸性条件下形成凝胶性质，一定离心力作用20 m in后仍有20%的乳清保留，这表明凝胶具有很好的持水性。Johnston[23]等在凝固型酸奶的生产中，发现随着超高压压力增加和处理时间的延长，酸奶形成的凝胶硬度增加，乳清析出量减少，并能很好的防止脱水收缩。在电镜下观察，600 MPa处理的样品的凝胶结构更为致密。这是因为超高压处理会改变原料乳中的酪蛋白胶束结构，使得酪蛋白表面相互作用位点增加，所制的酸奶有更好的质地。Ferragut[24]等研究了超高压处理原料乳对于酸奶在保藏期内的脱水收缩作用，发酵刚完成时，10℃，200～500 M Pa或者10～55℃，200 M Pa处理原料乳制得的酸奶的脱水收缩程度与巴氏杀菌牛乳制得的酸奶相同；350～500 MPa在25℃或55℃下处理等同于95℃热处理5 m in。但在4℃下贮藏20 d后，超高压处理样品的脱水收缩作用不变，热处理牛乳制得的酸奶脱水收缩作用随着贮存期延长而显著增加。

超高压处理原料乳后，其形成凝胶的pH值会发生改变。Desobry-Banon[25]等研究发现，超高压处理后牛乳形成凝胶的pH值高于未进行高压处理样品，且所形成的凝胶强度也高于对照样品。与此相似，Ferragu t[24]等采用350 M Pa或500 M Pa，25℃或55℃下处理的原料乳发酵酸奶时，在较高的pH值下即可以形成较好的凝胶。超高压处理后，酪蛋白胶束结构改变为表面光滑的颗粒结构，颗粒相互之间紧密包裹形成链状。虽然蛋白内部胶束之间有紧密的作用力，但是胶束不仅不会聚集，反而以无定形状态分布于各处。与高压处理牛乳不同，热处理（85℃，20 m in）牛乳用来发酵酸奶时，胶束表面纤维状的突起使得胶束彼此分离，这样不利于形成较好的凝胶结构。

在超高压条件下，牛乳形成凝胶的过程也有一定的研究。在牛乳中添加一定量的葡萄糖酸内酯（Glucono Delta Lactone，GDL），正常压力下60m in牛乳的pH值即可下降至5.5，在100 M Pa压力时达到相同pH值需要40 m in，200 M Pa下仅需要10 m in，由此可见，增加超高压处理压力可以缩短凝胶时间。不同压力条件下所形成的凝胶结构不同，100 M Pa，40 m in形成凝胶较为粗糙，200 MPa处理10 m in形成凝胶较为细腻[26]。

Tanaka和Hatanaka[27]（1992）将包装好的发酵乳置于200～300 M Pa，10～20℃下处理10 m in，此处理条件不会影响酸奶的质地和活性乳酸菌的数量。当压力超过300 M Pa时，活性乳酸菌数量降低，相应的后酸化现象也一定程度受到抑制。不同乳酸菌耐压能力不同，Reps[28]等采用400 M Pa处理酸奶，使得德氏乳杆菌完全失活，但不会对唾液链球菌嗜热亚种造成影响。以上研究表明可通过超高压抑制微生物的生长来延长酸奶的货架期。

2.3 超高压技术在干酪加工中应用

干酪用原料乳是否进行热处理杀菌以及杀菌的条件一直备受关注。通常认为热处理杀菌（72℃，15 s）可以杀死生乳中大多数的致病菌，从而保证干酪产品的安全性，但热处理会影响牛乳中的酶活性，对干酪的风味造成不良的影响，且会减缓干酪的成熟过程[29]。超高压技术作为一种新兴的冷杀菌技术，除了可用于处理干酪用原料乳达到杀菌效果外，还会对干酪及其成熟过程中的理化性质产生影响。

2.3.1 超高压处理干酪用原料乳

超高压处理能够提高原料乳的凝乳性质，主要机理包括超高压引起部分乳清蛋白变性，酪蛋白胶束被破坏，以及改变了原料乳中离子平衡等，这些变化都有助于提高凝乳特性[30]。

D rake[31]等分别采用加热和超高压处理原料乳，结果发现超高压处理原料乳制得的干酪得率较高，且风味优于热处理工艺制得的干酪。Drake还比较了两种干酪的营养成分差异，其中，超高压处理原料乳制得的干酪中水份、灰分和自由氨基酸质量分数都较高，且超高压处理样品中脂肪酶质量分数与新鲜牛乳中的脂肪酶质量分数接近，但是热处理样品中的脂肪酶质量分数明显较低，这表明超高压处理不会影响原料乳中脂肪酶的活性。这与T rujillo[32]等研究结果相一致，T rujillo观察到超高压处理干酪在成熟期间自由脂肪酸质量分数显著较高，这也表明脂肪酶还保留原有活性。在Trujillo的研究中还发现巴氏杀菌乳制得的干酪中，三氯乙酸可溶性氮质量分数显著高于超高压处理样品，这主要是由于盐质量分数的差异性造成的，盐质量分数会影响水分活度，从而影响蛋白酶的活力。

A rias[33]等系统研究了超高压处理压力和pH值对于干酪得率的影响，当压力≤200 M Pa时，大量的β-Lg发生变性，但是干酪得率不变，当压力增加至300～400MPa时，干酪排出乳清量减少，且乳清中蛋白质质量分数降低，干酪得率增加了20%。处理压力为400 M Pa，且pH值在5.5～7.0范围之间时，干酪得率和水分质量分数随着pH值的增加而增加。Lopez-Fandino[34]等以山羊奶为原料制作干酪，发现当压力≥200M Pa时干酪得率显著增加。除了压力外，温度对得率也有一定的影响，在400 M Pa下，40℃处理干酪得率要比25℃高15%。超高压处理原料乳中的酪蛋白胶束和脂肪球的分布较为疏松，因此利于更多水分包裹其中，所形成的凝胶结构有更好的持水能力，且部分变性的β-Lg吸附于酪蛋白胶束表面，这些因素都可以一定程度增加干酪的得率。

超高压不仅用于硬制干酪，在新鲜未成熟干酪中也有一定应用。T ru jillo[32]等用500 M Pa处理的牛乳生产新鲜干酪，发现高压处理样品中不仅水份和灰分高于对照样品，且脂肪质量分数也显著较高，这是因为超高压处理改变了牛乳在凝乳酶作用下所形成凝胶性质，在凝胶表面形成了更紧密的酪蛋白胶束链，从而包裹更多的脂肪，提高了终产品中脂肪的质量分数[35]。

对于生产商而言，不仅关注干酪产量和组分，质地和风味也是主要考虑因素，这两个因素直接影响消费者是否购买。D rake[31]等在制作切达干酪过程中，比较发现巴氏杀菌和超高压处理原料乳制得的干酪的风味并没有显著差异性。超高压处理样品质地较软，且涂抹性较好，这与其较高的水份质量分数有关。Buffa[30]等采用单轴压缩和应力松弛试验评价干酪质地，经比较发现，超高压处理原料乳制得的干酪质地较硬，但是随着成熟过程的进行，硬度逐渐接近对照样品。在扫描电镜下观察，超高压处理干酪的蛋白结构较为整齐和致密，对照组干酪蛋白网状结构较为疏松，且其中均匀分布着脂肪球颗粒。

2.3.2 超高压技术对于干酪成熟过程的影响

干酪生产的关键工艺包括成熟工艺，根据成熟期的长短干酪呈现出不同的质地和风味。干酪成熟周期较长，通常为数周到数个月，对于生产商来说，加速干酪的成熟过程能够显著提高经济效益。已有的关于加速干酪成熟的研究，主要关注点为干酪成熟温度，添加外源性酶或者使用可以加速干酪成熟的菌种等。在1992年，Yokoyam[36]等首次发表专利声明了超高压技术加速干酪成熟的原理和工艺。将新制干酪置于0.1～300M Pa下处理3天，温度保持在25℃，其中50 M Pa处理下样品成熟效果最好，此条件下成熟干酪的口感和风味都接近于采用传统方法成熟6个月的干酪。当处理压力大于300MPa时，超高压处理样品中自由氨基酸质量分数显著降低。值得注意的是，此专利中生产切达干酪的工艺不同于传统的工艺，专利中使用的菌种活性为传统菌种的10倍。San Martin-Gonzalez[37]等采用400～600 M Pa处理马苏里拉和高达干酪5～15 m in，干酪中蛋白质的水解速率大大增加。

超高压加速干酪成熟有两种处理方式，包括高压短时处理（400～600 M Pa，5～15 m in）或者初始阶段高压短时（400～500 MPa，5～15 m in）而后期低压长时（50MPa，72 h）处理等。表2总结了超高压技术在干酪成熟过程中的应用。

表2 超高压技术在干酪成熟过程中应用

2.4 超高压技术在奶油制品中的应用

奶油类制品在焙烤和餐饮等渠道有广泛的应用。关于超高压技术在稀奶油中应用研究较少，从控制产品质量安全，超高压技术可有效的降低奶油类制品中有害微生物数量，延长产品货架期。Raffalli[45]等采用超高压处理脂肪质量分数为35%的稀奶油，处理条件为450 M Pa，25℃，10～30 m in；此处理条件可以抑制部分微生物的生长，但并未彻底杀死微生物，当置于较适宜条件下时，样品中的微生物能够重新较好的生长。如果稀奶油在食用前的加工过程中涉及加热等工艺，那么可以考虑使用此类高压处理产品。

根据超高压技术原理可知，超高压处理过程中物料分子之间相互摩擦作用会导致温度上升。对于脂肪类产品，压力每升高100 MPa，温度升高约为10℃[9]。脂肪类型、超高压处理压力和处理温度都会改变样品的热焓曲线，从而影响脂肪中不同相之间的转化过程。乳脂肪是较为复杂的甘油三酯系统，压力会影响脂肪的熔点和结晶性质。

Gervilla[20]等研究了超高压处理（100～500 M Pa，温度为4，25和50℃）对羊奶中自由脂肪酸（Free fat acid，FFA）质量分数的影响，经超高压处理后不会影响样品中FFA质量分数，即使50℃下处理的样品中FFA质量分数还是低于新鲜羊乳，这表明超高压处理可以避免牛乳中由于脂肪腐败引起的不良风味。这与Butz[46]等的研究不一致，Butz等表明超高压处理会对稀奶油的性质产生不良影响，主要原因即为脂肪的氧化。在Butz等研究中采用不同压力处理稀奶油，其中油酸质量分数不受压力影响，但压力为350 M Pa亚油酸即可以发生自动氧化，且氧化程度随着压力升高而增加。与热处理引起的氧化不同，高压引起的氧化值较低且不会产生新的氧化物质。

超高压处理不仅会改变奶油的营养成分，还对其结构及加工性质造成影响。Gervil[20]等发现500 M Pa处理会改变羊奶中的脂肪球粒径大小及其分布。粒径的变化还与处理温度有关，在温度为25℃和50℃条件下，脂肪球粒径增加了1～2μm，且此条件下的脂肪球较好的分散于羊乳中，有较好的稳定性。4℃下处理，脂肪球粒径下降，且较为不稳定，易于上浮，可以考虑利用此工艺来实现牛乳中脂肪的分离。

搅打稀奶油是具有搅打起泡性的一类乳制品，脂肪质量分数为30%～40%。搅打稀奶油需易于搅打，产生细微的稀奶油泡沫，且泡沫必须稳定和耐久，不易脱水收缩。稀奶油脂肪质量分数为40%时一般易于搅打，但当含脂率降到30%或者更低时，搅打能力也降低[48]。随着人们健康意识的增加，低脂产品的需求量逐渐增加，如何保证低脂肪质量分数稀奶油的打发性质是研究的重点。Eberhard[48]等在300～800 M Pa压力下处理脂肪质量分数为26%，29%，32%和35%的稀奶油。其中，脂肪质量分数小于32%的稀奶油高压处理后打发性质显著提高，打发时间有缩短了15%～25%，乳清析出量降低；在500～600 M Pa下处理1～2 m in后，打发效果最好，如果处理时间过长，则会降低稀奶油的稳定性。当压力小于400 M Pa，不会对稀奶油打发性质造成影响。超高压处理改善稀奶油打发性质，主要是因为脂肪球形成了较好的结晶体，如果过高的压力处理会导致稀奶油中乳清蛋白发生变性，从而不利于产品的打发，也会影响产品的稳定性。

3 结果与展望

乳制品加工中，主要采用热处理杀菌方式，巴氏杀菌产品需冷藏保存，且保质期短，超高温杀菌会对产品的营养、风味产生不利的影响。超高压作为一种非热处理方式，可以避免由于热处理引起营养成分损失，风味改变等不良反应，满足消费者对新鲜、营养和健康乳制品的追求。目前，国外已经有了一些超高压商业化的产品出现，但尚未有超高压处理的乳制品进行销售。我国关于超高压在食品加工中应用还仅是停留在研究阶段，且在乳制品方面较为系统的研究也较少，与国外相比还有一定的差距。推动超高压设备及其应用技术的进步，优化超高压技术规模化应用于乳制品的工艺条件，生产出满足消费者所需的天然、纯净和营养健康的乳制品，这具有重要的市场前景。

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《中国乳品工业》杂志摘要写作要求

1摘要写作要求

按报道性摘要书写，字数300字左右，以提供文章内容梗概为目的，不加评论及补充解释，摘要中应包括研究目的、方法及过程、结果与结论、创新性和创新点。中英文摘要内容应一致。

2摘要写作注意事项

2.1 着重反映新内容和特别强调的观点。

2.2 排除在本学科领域已成常识的内容。

2.3 不得简单地重复题名中已有的信息。

2.4 书写要合乎语法、保持上下文的逻辑关系。

2.5 结构要严谨，表达要简明，语义要确切，不分段落。

2.6 用第三人称的写法。应采用“对……进行了研究”、“报告了……现状”、“进行了……调查”等记述方

法，不要使用“本文”、“作者”等为主语。

2.7 采用规范化的名词术语（包括地方、机构名和人名）。

2.8 缩略语、略称、代号，除了相邻专业的读者也能清楚理解的以外，在首次出现处必须加以说明。

3英文摘要写作注意事项

3.1 避免在摘要的第一句重复使用题目或题目的一部分。

3.2 用简洁、明确的语言（一般不超过150个单词），尽量用短句并避免句型单调。

3.3 描述作者的工作一般用过去时态，陈述由这些工作所得的结论时用现在时态。

3.4 尽量用主动语态代替被动语态。

3.5 尽量用语义清楚并为人熟知的词汇，对于大众熟知的缩写语可直接使用。

Recent advances in the use of high pressure technology in dairy processing

SUN Yan-jun1,SUN Yan-jie2
（1.State Key laboratory of Dairy Biotechnology,Dairy Research Institute,Bright Dairy and Food Co.,Ltd.,Shanghai Engineering Research Center o f Dairy Biotechnology,Shanghai 200436,China;2.College of Basic Medicine,SanQuan College of Xinxiang Medical University,Xinxiang 453003,China）

In this paper,the applications of high pressure processing on the dairy products are review ed,including m ilk,fermented m ilk, cheese and cream.HPP-treated dairy products haven’t been commercially produced yet.It is hope that this review will promote the scale application of HPP technology in the dairy industry.

High pressure processing;milk;fermented milk;cheese;cream

TS252.4

：B

：1001-2230（2016）02-0026-06

2015-07-27

“十二五”国家科技支撑计划奶酪制品加工关键技术研究开发与产业化示范（2013BAD18B02）。

孙颜君（1988-），女，硕士研究生，研究方向为乳品加工。