牛奶主要热处理工艺对比分析

郭利亚，赵广英，武旭芳，张 伟，张养东

1 河南科技学院，河南新乡453003

2 河南花花牛乳业集团，河南郑州450000

3 中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京海淀 100193

0 引言

牛奶的营养价值高，富含多种生物活性物质，易消化吸收，是人们重要的食物来源之一[1，2]。随着现代农业和食品工业的发展，乳及其制品的热加工处理工艺持续改善和进步。近来，国内乳制品市场新品持续涌现，不断增加的产品品种，引起了消费者对液态牛奶产品生产工艺的关注，特别是高温杀菌新鲜牛奶、膜过滤复合工艺鲜奶等多种需低温冷藏、保质长的液态新鲜牛奶商品的推出，在市场和行业内引起人们对牛奶加工工艺的讨论，本文以液态牛奶为分析对象，对生产中通行的几类主要牛奶热处理工艺进行比较分析，为进一步研究乳制品热处理加工理论、技术和热处理工艺的应用选择等提供一些参考。

1 牛奶热处理工艺

乳的来源较广，奶畜养殖种类多，其中牛奶占比最大[3]。牛奶的营养健康作用，在世界范围内得到普遍认同。为保证饮奶安全，避免人们牛奶源性疾病的发生，各国普遍采用热处理工艺对牛奶进行杀菌处理。牛奶热处理工艺与牛奶的营养价值紧密相关，也成为牛奶热处理工艺完善、改进、优化的前提。

1.1 基本概念

按照国际上通行理解，牛奶热处理工艺主要是指热处理强度等于或高于巴氏杀菌的所有加热处理技术[5]。在理想条件下，牛奶热处理过程是基于牛奶热稳定原理，以目标保质期为参照，原则上尽可能适度、连续、一次性、完整的完成加工，并做到不改变或者少改变牛奶的天然状态，不引入、不增加，并且可以有效消除乳制品食用时的不安全因素。

1.2 概念比较

国际上，欧盟（European Union，EU）和国际乳业联合会（International Dairy Federation，IDF）制定的牛奶热处理概念及标准具有代表性和权威性。

EU以热处理后牛奶中的特定指示物定义牛奶热处理工艺，认为牛奶热处理工艺是使牛奶中的碱性磷酸酶呈阴性结果的所有加热方式[6]。碱性磷酸酶是牛奶中的一个热敏感指标，其钝化或失活，表明该批次牛奶中的致病菌被杀死。碱性磷酸酶的提出，给牛奶热处理工艺下的产品判定提供了具体可控目标，方便检测和判定，具有较强指导性和操作性。

IDF以巴氏杀菌热处理工艺为界限进行定义，认为热处理工艺就是能达到控制微生物的生命活动，主要指杀死或杀灭微生物，提高产品性能，不管是直接或间接加热，加热强度相当于或高于巴氏杀菌的加热方式[7]。

可以看出，对牛奶进行加热操作，小于巴氏杀菌热处理强度，不属于牛奶热处理工艺范畴，反之则属于牛奶热处理工艺范畴。因此，不论EU还是IDF的规定，从热处理工艺的实施效果上看，内在含义和逻辑基本一致，即达到杀死牛奶中的致病菌，保障牛奶食用安全，是热处理强度的基本要求，也是热处理工艺的“底线”。

同时，结合两者提出的概念，得到一个判定热处理工艺指标，即牛奶中的碱性磷酸酶活性。当其检测结果为阴性，则此工艺属于牛奶热处理工艺范畴；若是阳性，尽管也是采用加热方法，则不属于牛奶热处理工艺范畴，应称为其他名称，比如国际标准中的“Thermization”，中文释义为“热抑菌”[8]。

因此，根据国际通行对牛奶热处理工艺的认定，巴氏杀菌工艺本身及热处理强度高于巴氏杀菌工艺的热处理，其检测碱性磷酸酶呈阴性，即为牛奶热处理工艺划分的参照，经过该处理工艺的牛奶成为与之对应的牛奶产品，比如巴氏杀菌奶、高温灭菌奶，或者称为“以经过热处理的生奶为原料”的奶酪、酸奶等乳制品；而热处理强度低于巴氏杀菌处理工艺，碱性磷酸酶呈阳性的加热处理操作，不属于牛奶热处理工艺。

2 牛奶热处理工艺的产生及演变

从世界牛奶热处理工艺的发展来看，19世纪中期法国科学家路易巴斯德发明巴氏消毒法以来，有近160 年的发展历程。伴随着社会经济发展和科学技术进步，牛奶热处理工艺经历了巴氏杀菌热处理工艺、高温灭菌热处理工艺以及介于巴氏杀菌和高温灭菌之间的热处理工艺的3 个阶段，对应产品的不同货架期，形成了目前世界上多数国家通行使用的三大类热处理工艺，即为短保质期产品的巴氏杀菌热处理工艺、长保质期产品的高温灭菌处理工艺和适中保质期产品的高温杀菌热处理工艺[9]。

2.1 巴氏杀菌热处理工艺

巴氏杀菌热处理工艺是为了避免人们受到生乳中病原微生物带来的危害风险，使用特定设计的设备、规范的操作，而对生乳采用的一种相对温和的热处理方法。巴氏杀菌热处理工艺在有效杀灭生乳中病原微生物的同时，产生最低程度的化学、物理以及感官变化[10]。巴氏杀菌热处理工艺是最早获得商业化应用的热处理工艺。巴氏杀菌热处理工艺不能把生乳中所有微生物杀灭，但可将微生物数量降低至对公众健康不构成危害的水平[11]，使处理后的牛奶感官、理化、滋气味、口感等指标变化小。我国国家标准中有巴氏杀菌乳的产品标准《GB19645—2010食品安全国家标准 巴氏杀菌乳》，但没有巴氏杀菌热处理的工艺标准。2018年以来，国家奶业科技创新联盟制定发布的奶业创新团队技术规范《MRT/B02—2018优质巴氏杀菌乳》，及天津市奶业科技创新协会制定的团体标准《T/TDSTIA 004—2019 优质巴氏杀菌乳》《T/TDSTIA 009—2019 高温巴氏杀菌乳》中，已尝试将巴氏杀菌奶产品标准与巴氏杀菌热处理工艺要求相结合，接轨了国际通行做法，有助于国内巴氏杀菌乳等乳制品形成一个完整的标准体系。

2.2 高温灭菌热处理工艺

牛奶的高温灭菌热处理工艺，出现在罐头食品被发明以后，仿照其制作方法，在高压设备中对牛奶进行高温高压长时间灭菌处理。与灭菌的罐头食品相似，在高温高压灭菌工艺处理后，牛奶可以实现商业无菌，常温储存，货架期达半年及以上，解决了牛奶无法常温长时间保存的问题。但由于在该工艺条件下，牛奶色香味与生乳差别比较大，出现之初市场反应不强、热度不大。20世纪60年代，该工艺得到不断的改进和完善，建立了超高温瞬时灭菌工艺（Ultra-High Temperature Sterilization，UHT），与高温高压的保持法灭菌相比，实现了牛奶商业无菌、产品货架期基本一致，但热处理强度显著降低，产品品质显著改善。国际也对牛奶高温灭菌热处理工艺进行了规定，主要是指经受充分的热处理、灌装在严密封口的容器内、符合国际和IDF规定的、在常温下保存能保持“商业无菌”的乳制品生产方法[12]。

2.3 高温杀菌工艺

高温杀菌工艺，国际上也称ESL或UP（Extended Shelf-Life，ESL；Ultra Pasteurization，UP）。针对UHT产品仍存在的口感差、活性物质保留低、糠氨酸生成量高等问题，高温杀菌工艺被提出并应用，与UHT相比，该工艺既能延长牛奶保质期，又保留一定程度生物活性物质。典型的工艺操作是使用传热速度要快于间接加热法100 倍左右的直接加热法，利用牛奶中蛋白质体系稳定的特征，将牛奶喷入高温高压的水蒸气舱或者将高温高压的水蒸气喷入牛奶舱，迅速（比如0.2 s）提升生乳温度至杀菌温度（比如133 ℃），短时快速升温有利于减缓营养物质发生化学反应。精确控制保温时间（比如0.5 s）后，利用“闪蒸”方式，释放设备仓中产生的高压，使奶温迅速（比如0.2 s）下降，同时蒸发掉由高温高压蒸汽带入的多余水分，在同样条件下，直接加热法处理的牛奶保质期，是间接法的两倍[13]。采用ESL或UP加工的生牛乳，牛奶中的活性营养保留程度可达到与巴氏杀菌奶水平相当，且牛奶中的微生物杀灭程度比巴氏杀菌奶更大，但达不到UHT工艺的灭菌程度。在生产工艺后端，若采用超净灌装方式，相同冷链储运条件下，牛奶产品的保质期实现延长和增加，比巴氏杀菌奶的保质期更长，一般情况下可超过20 天。在市场经济条件下，该热处理工艺优势明显。

2.4 牛奶热处理工艺技术关键

以牛奶为例，主要的三大类液态奶热处理工艺及参数见表1[9，14～16]。不同的牛奶热处理工艺中的热处理温度和在该温度下的保持时间，是两个关键因素。“温度-时间”科学匹配组合，才能成为标准中要求的“适宜热处理强度”，既杀灭牛奶中所有的致病菌，保证食用安全，也最大程度保留牛奶天然固有风味、质地以及多种生物活性物质，达到承载牛奶健康功能的核心属性。简言之，就是在确保安全的前提下，对生乳实施最温和的热处理。奶业多年发展的实践表明，特别是20世纪70年代以来，人们已经认识到，在热处理工艺下，牛奶色香味的改变就是其内在品质的降低。牛奶热处理工艺，首要出发点是建立以生乳为基准的效果参照，最大程度减少牛奶色香味变化，这也是选择热处理工艺的一项基本原则和要求[17]。

表1 常见液态奶类（牛奶）热处理工艺及参数表

2.5 热处理与非热处理比较

热处理目的是对生乳以加热方式进行杀菌或灭菌，除了采取加热的方法，杀菌或灭菌也有其他途径。热加工处理或非热加工处理的选择，既要看效果，也要兼顾生产可行性[17]。牛奶加工技术的进步和发展中，出现了超声、微波、辐照等加工方法的尝试，也有采用超高压条件进行灭菌[18]，但存在大规模生产不易操控，生产中可能引发的乳成分物理化学性变化也缺乏有效评估及系统研究，导致难以适应商业化的应用推广。此外，还有不杀菌的一些方法，利用物理方式进行多级离心过滤，例如微滤、超滤、纳滤等，达到分离除菌的目的，但该方法存在物理分辨度不高等问题，易将具有与微生物表现同样物理性质的乳成分一同分离除去，影响实际生产应用，而多采用协同方式，在过滤基础上增加热处理环节进行杀菌。目前，通行的牛奶加工工艺主要是热处理，以易得易控热源为媒介，较好实现或达到有效杀灭牛奶中有害微生物和钝化某些酶类的效果，使牛奶能满足与人们生活相适应的保存条件和一定的质保期限。

3 结语

牛奶热处理工艺，是奶及其制品加工技术中的关键环节，不同的处理工艺得到不同的制品或产品。牛奶核心价值在于健康保障，即发挥提升和维护人们健康水平的功能[4]。热处理工艺直接影响牛奶的性质、状态和成分。牛奶核心价值的实现，需要选择与之相应的、匹配的热处理工艺，减弱、降低或抑制甚至背离奶业真正价值的热处理工艺都存有一定缺憾，需要审视、改进或完善。当前，奶业生产实践中，基于牛奶热处理工艺基础，存在“超强度加热”或“过度加热”的情况[19]，易给奶业市场培育和奶业持续健康发展带来一些误判和影响，需引起行业的警觉和重视。因此，在液态奶生产实践中，建议结合实际和健康需求，因地制宜，科学合理选择牛奶的热处理加工工艺。