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超高压冷杀菌技术对生鲜牛乳品质的影响

乔长晟1,王 瑞1,陈 娜1,王巨克1,左 轮1,贾培起2,贾士儒1
(1.天津市工业微生物重点实验室,天津科技大学,天津 300222;2.天津市华泰森淼生物工程技术有限公司,天津 300384)

摘要:本文研究了超高压(UHP)冷杀菌技术对生鲜牛乳品质的影响。在350~600MPa的超高压下对生鲜牛乳采用连续加压、交变加压方式及栅栏技术处理一定时间后,测定其微生物指标和理化性质的变化情况,并与巴氏杀菌技术进行比较。结果表明:1)压力越高,保压时间越长,交变次数越多,杀菌效果越好;2)采用栅栏技术对牛乳中的微生物具有更有效的杀菌作用,其中相同浓度的(终浓度100mg/L)ε-聚赖氨酸较Nisin具有更强的杀菌效果;3)利用SDS-PAGE电泳研究了不同杀菌方式对牛乳总蛋白的影响,发现经UHT、巴氏和500MPa交变处理的牛乳与生鲜牛乳相比其总蛋白电泳图谱靠近负极方向第一条谱带消失,第二条谱带颜色变浅,由此推测经上述处理后牛乳中有一些蛋白质的亚基发生了解离,而经400MPa交变处理的牛乳与生鲜牛乳的总蛋白电泳图谱相似;4)超高压牛乳营养成分与生鲜牛乳相比,苏氨酸、VA、VC在超高压处理中受到的破坏明显比巴氏杀菌小得多,特别是苏氨酸和VA几乎完全被保留下来,而VC含量也要比巴氏奶高出25%以上,对于VB1、VB2,检测数据也表明,超高压灭菌对其破坏要比巴氏灭菌小,其含量分别比巴氏杀菌牛乳高出9.5%和2.6%;5)与巴氏杀菌乳相比,超高压杀菌有助于延长牛乳的保质期,扩大牛乳的销售半径。
关键词:超高压;生鲜牛乳;栅栏技术;营养成分;保质期


Effects of Ultra-high Pressure (UHP) Sterilization Technology on the Qualities of Fresh Raw Milk


QIAO Chang-sheng1, WANG Rui1, CHEN Na1, WANG Ju-ke1, ZUO Lun1, JIA Pei-qi2, JIA Shi-ru1
(1. Tianjin Key Lab of Industrial Microbiology , Tianjin university of science & technology, Tianjin 300222, China; 2. Tianjin HuaTai-SenMiao Bioengineering & technology Co.,Ltd, Tianjin 300384, China)


Abstract: The effect of ultra-high pressure sterilization technology on the qualities of fresh raw milk was studied. Fresh raw milk was subjected to UHP treatment (continuous, alternative pressure treatment and hurdle technology ) at selected pressure (350-600MPa) for various holding times. Pressure treated samples were enumerated to determine the residual microbial population and initial counts were obtained from the control samples. The changes of nutrition in milk treated with different technologies are also determined. Results showed that, 1) higher pressure, longer holding time and more alternative times favour a larger destruction of microorganisms; 2) the combined effect of hurdle technology and pressure on the destruction of microorganisms in fresh raw milk is more effective than only using pressure treatment, among which the effect of ε-polylysine on inactivation of microorganism in fresh raw milk is more effective than that of Nisin with the same concentration of 100mg/L; 3) the whole proteins in milk treated by the different types of sterilization have been detected by SDS-PAGE electrophoresis, and comparing with the whole proteins’ electrophoretogram of fresh raw milk, we found that the first spectrum band near the negative pole was disappeared and the colours of the second spectrum band was tint in UHT, pasteurism and 500MPa treated milks, which was suggested that some proteins’ subunits were dissociated, but the 400MPa treated milk showed the similar eletrophoretogram with the fresh raw milk; 4) the loss of threonine, VA and VC in high pressure treated milk was more less than those in pasteurism treated milk, in particular threonine and VA were almost retained, and the contents of VB1 and VB2 in the former are also more than that in the latter; 5) high pressure treated milk had longer shelf life than pasteurism treated milk, extending the sale semidiameter of milk.
Key words: ultra-high pressure; fresh raw milk; hurdle technology; nutrition; shelf life
引言
    牛乳含有能促进人类生长发育以及维持健康的几乎一切必需的营养成分,如蛋白质、乳脂、乳糖、多种氨基酸、维生素和钙、磷等微量元素,被公认是迄今为止的一种比较理想的高营养食品。
    传统的热杀菌方式不仅在加热过程中使得牛乳中多种营养成分遭到破坏,而且在加热或长时间贮藏会发生“褐变”,产生不被人体消化吸收的物质[1]。而超高压技术(ultra-high pressure processing,UHP,100~1000MPa)能在常温或常温附近的温度下达到杀菌、灭酶的作用,很重要的一点压力处理不破坏食物成分的共价键,从而减少了高温引起的营养成分的损失和色香味的劣化;而且超高压对大分子的修饰使得该技术可对产品的质构等品质因素有一定的改善作用;其次,超高压杀菌过程的传压速度快、均匀,不存在压力梯度和死角,处理过程不受食品的大小和形状的影响;另外,超高压杀菌处理过程中主要在升压阶段消耗能量(加压泵加压),而在恒压和降压过程一般不需要输入能量,因此整个过程能量消耗很少,据测算,超高压杀菌处理过程的能耗仅为加热法杀菌的1/10;最后,超高压杀菌处理过程中使用的加压介质一般是水、油等压缩比较小的液态物质,并不存在“爆炸”的危险性[2]
    国内外有关超高压技术在液态乳杀菌中应用的相关研究主要集中在超高压对液态乳中接种的目标微生物[3-7]和某几种营养成分[8]的影响,而对液态乳中自然存在的微生物[9]和液态乳理化性质[7,10]的影响报道较少。
    本文研究了超高压杀菌压力、保压时间、加压方式和栅栏技术对牛乳中自然存在微生物的影响,并考察了超高压对牛乳中总蛋白、氨基酸、矿物质等营养成分含量的影响,分别与传统热加工方式进行了比较,初步确定了牛乳超高压杀菌的工艺条件。


1 材料和方法
1.1 材料

1.1.1 生鲜牛乳:天津海河乳业集团提供
1.1.2 微生物培养基与试剂:
营养琼脂、乳糖胆盐发酵培养基、伊红美蓝固体培养基、乳糖发酵培养基、EC肉汤培养基(五种培养基均为北京奥博星生物技术有限责任公司生产);革兰氏染色液(自制,所用试剂均为分析纯);0.85%灭菌生理盐水(自制,所用试剂均为分析纯)。
1.1.3 试验设备
超高压处理装置:HPB.A2-600/0.6超高压生物处理机(以水为加压介质,天津市华泰森淼生物工程技术有限公司)。设备照片如下图所示:

1.1.4 试样的准备:将50 mL生鲜牛乳无菌封装于无菌聚乙烯塑料袋内(长×宽×厚=50mm×40mm×2mm)(不留顶隙),超高压处理前后均于10℃下冷藏备用。
1.2 超高压处理
    袋装试样浸泡于高压容器的传压介质——水中,按照实验设计,设定压力、加压时间、加压方式等参数,进行超高压处理。
1.3 微生物检测
    根据中华人民共和国国家标准食品卫生微生物学检验方法部分(GB/T 4789-2003)检验经超高压杀菌、巴士杀菌和未处理(对照样)牛乳袋装样品中的细菌总数(单位:cfu/mL)和大肠菌群(单位:MPN/100mL)数量。
1.4 保质期考查及营养成分鉴定
    保质期由天津海河乳业集团品控中心检测;营养成分由中国人民解放军卫生检测中心检测。
2 结果与讨论
2.1 不同压力对牛乳中细菌灭活的影响

    从图1可以看出,加压可以明显杀灭牛乳中的细菌,从350MPa增压至600MPa的过程中菌落总数从初始菌落数(6.5×105cfu/mL)减少了1~4个数量级,即加压时间恒定的情况下,压力越高,灭菌效果越好;但是当压力大于450MPa时,经不同压力处理后牛乳中残留总菌数相差不大,即当压力达到某一范围后,杀菌效果变化并不明显。

1:350MPa保压10min;2:400MPa保压10min;3:450MPa保压10min;4:500MPa保压10min;5:550MPa保压10min;6:600MPa保压10min;7:巴氏杀菌
图1 不同压力对牛乳中细菌的影响
Fig.1 Effect of different pressure on the viability of bacterium in milk

2.2 保压时间对牛乳中细菌灭活的影响
    由图2可知,相同压力下,随着加压时间的延长,细菌残留总数逐渐减少。与巴氏杀菌相比,加压时间等于或大于15min时,细菌的残留总数均少于巴氏处理后的残留菌数,与同批原奶的细菌总数(1.02×107cfu/mL)相比,减少了4~5个数量级。综合图1和图2所示的试验结果,可以看出高压处具有良好的杀菌效果,还发现原奶中初始菌落总数不同,灭菌效果也不同,即初始菌落数越低,灭菌效果越好。

1:600MPa保压5min;2:600MPa保压10min;3:600MPa保压15min;4:600MPa保压20min;5:600MPa保压25min;6:600MPa保压30min;7:巴氏杀菌
图2 不同保压时间对牛乳中细菌的影响
Fig.2 Effect of different holding time on the viability of bacterium in milk

2.3 连续杀菌与交变杀菌的比较
    从图3可以看出,在600MPa下,不论是连续式加压还是交变式加压方式的杀菌效果都明显优于巴氏杀菌效果,与图2所示此压力下相同加压时间的连续加压实验结果吻合;加压总时间相同的情况下,交变杀菌方式优于连续杀菌方式的杀菌效果,而且交变次数越多杀菌效果越好;对于不同加压时间(20min和25min)而言,相同加压方式的杀菌效果差别不大。本文还考察了500MPa下不同杀菌方式对牛乳中微生物的杀灭作用,得到了相近的试验结果(数据未列出)。

1:巴氏杀菌处理;2:20min连续加压处理;3:25min连续处理;4:20min交变4次加压处理(加压5min间隔2min);5:25min交变4次加压处理(加压6.25min间隔2min);6:20min交变5次加压处理(加压4min间隔2min);7:25min交变5次加压处理(加压5min间隔2min)。
图3 连续杀菌与交变杀菌方式效果比较
Fig.3 Effect of continuous pressure treatment on sterilization compared with alternative pressure treatment

2.4 栅栏技术对杀菌的影响
    要想实现超高压牛乳工业化生产,降低高压处理设备的制造成本,就要相应降低超高压处理压力,这将带来保压时间的延长,进而延长生产周期。为了解决该矛盾,本文以压力、保压时间、交变次数和生物防腐剂作为栅栏因子,每种因子只采用中等强度,考察其联合杀菌效果。在400MPa下,进行20min的交变4次的超高压处理(加压5min间隔2min),分别加入Nisin、ε-聚赖氨酸以及Nisin和ε-聚赖氨酸的混合物,并与巴氏杀菌乳比较杀菌效果。实验结果如图4所示:

超高压处理前,1:不添加任何防腐剂;3:添加Nisin(终浓度100mg/L);5:添加ε-聚赖氨酸(终浓度100mg/L);7:添加Nisin(终浓度50mg/L)和ε-聚赖氨酸(终浓度50mg/L),然后进行相应超高压处理;巴氏处理前,2:不添加任何防腐剂;4:添加Nisin(终浓度100mg/L),6:添加ε-聚赖氨酸(终浓度100mg/L),8:添加Nisin(终浓度50mg/L)和ε-聚赖氨酸(终浓度50mg/L),然后进行巴氏处理。
图4 栅栏技术对超高压和巴氏杀菌的影响
Fig.4 Effect of hurdle technology on sterilizing by UHP or pasteurism

    由图4可知,生物安全防腐剂与超高压或巴氏处理方式协同作用可以更有效的杀灭牛乳中的微生物;而且ε-聚赖氨酸比同样剂量的Nisin具有更强的杀菌能力,与巴氏杀菌相比,这一现象在联合超高压处理中更明显。超高压处理前添加两种防腐剂混合物比只添加Nisin杀菌效果更好,与只添加ε-聚赖氨酸的杀菌效果相近,分析原因可能是因为ε-聚赖氨酸抑菌谱更广,当两种防腐剂同时加入时,起主要作用的可能是ε-聚赖氨酸;而在巴氏处理中添加生物防腐剂后的抑菌效果相差不大。结果表明,采用栅栏技术不仅可以降低设备制造成本及生产成本,同时还可以达到良好的杀菌效果。
2.5 高压对牛乳中大肠杆菌的影响
    在以上的实验过程中同样考察了超高压对大肠杆菌杀灭作用。试验结果表明,在各种条件下大肠杆菌在1、10-1、10-2三个稀释度下均表现为阴性,即<30MPN/100ml(原料乳中的大肠杆菌大约在2.4×106~2.4×107 MPN/100ml的范围),也就是说超高压对大肠杆菌的杀灭作用很明显,完全可以达到国家有关标准(消毒牛乳微生物指标:≤90MPN/100ml)
2.6 超高压杀菌对牛乳保质期的影响
    牛乳经过处理2天后进行各项指标检测。结果如表1所示。
    本实验中超高压处理后的牛乳显示了较好的杀菌效果,在处理后即进行的检测中检出的菌数大大低于巴氏杀菌乳,显示了良好的可行性。在两天以后进行的检测中检出的细菌数仍较低,而巴氏杀菌乳此时已经变质,说明超高压灭菌大大延长了货架期,这对扩大巴氏杀菌乳的销售半径非常有利。

表1 各种条件杀菌后牛乳中的细菌数(cfu/mL牛乳)
Tab.1 Residual microbial population(cfu/mL milk) in milk treated by different sterilization conditions

     样品                     0天                           2天

450MPa/12min              210                      250
500MPa/8min               150                      220
550MPa/4min               450                      600
550MPa/8min               375                      455
巴氏杀菌乳                350                变质(1000以上)

2.7 超高压杀菌对牛乳中营养成分的影响
    由于高压作用,势必会对牛乳中的各种营养成分造成一定程度的破坏,因此本文,从以下两个方面对原料乳(生鲜牛乳)、巴氏杀菌牛乳和超高压牛乳中营养成分含量进行了分析对比。
2.7.1 超高压处理后,分析营养成分的保存情况
    将生鲜牛乳进行超高压处理,然后对其中的营养成分进行分析,并与巴氏杀菌牛乳和原料乳进行对照,结果如表2-2所示。

表2 三种牛乳营养成分分析表(除注明外,单位均为mg/100g)
Tab.2 Nutrition component analysis for three types of sterilizing milks(except for note, unit must be mg/100g)

营养成分

原料

高压乳

巴氏乳

营养成分

原料

高压乳

巴氏乳

天冬氨酸
苏氨酸
丝氨酸

230
128
164

229
130
167

230
28.4
161

组氨酸
色氨酸
精氨酸

82.7
42.3
105

81.9
40.8
105

82.7
41.6
104

谷氨酸

711

705

714

脯氨酸

314

310

311

甘氨酸

66.7

64.1

67.9

氨基酸总量

3284

3279

3183

丙氨酸

108

108

107

VA(μg/100g)

66.7

67.9

48.3

胱氨酸

16.6

18.3

17.0

VC

1.43

1.19

0.95

缬氨酸

197

196

198

VE(μg/100g)

98.1

74.4

78.1

蛋氨酸

97.1

97.9

96.6

VB1(μg/100g)

5.46

5.28

4.82

异亮氨酸

174

173

176

VB2(μg/100g)

206

195

190

亮氨酸

328

330

329

Ca(mg/Kg)

1280

1280

1310

酪氨酸

122

113

121

P(mg/Kg)

902

870

872

苯丙氨酸

154

166

154

Fe(mg/Kg)

6.82

7.02

7.12

赖氨酸

244

244

244

Zn(mg/Kg)

6.12

6.01

6.12

    由表2可知,在灭菌前后,考虑到实验误差等原因,巴氏灭菌处理过程中明显遭到破坏的营养成分有苏氨酸、VA、VC、VE、VB1、VB2等,其中苏氨酸、VA、VC在超高压处理中受到的破坏明显要比巴氏杀菌小的多,特别是苏氨酸和VA几乎完全被保留下来,而VC含量也要比巴氏奶高出25%以上。对于VB1、VB2,检测数据也表明,超高压灭菌对其破坏要比巴氏灭菌小。
2.7.2 超高压处理对牛乳中蛋白质的影响
    高压会改变某些生物高分子物质的空间结构,使生物材料发生不可逆变化。高压对蛋白质的一级结构没有影响,对二级结构有稳定作用,对三级结构和四级结构影响很大。但在此过程中,高压对形成蛋白质等高分子物质及维生素、色素和风味物质等低分子化合物的共价键无任何影响,从而使食品保持其原有的价值、色泽和风味,是一个与热处理不同的物理过程,具有诸多优越性。本文利用SDS-PAGE电泳研究了不同灭菌方式对牛乳全蛋白的影响。

                          1      2      3      4     5

1:UHT;2:原乳;3:巴氏;4:400MPa,20min交变5次;5:500MPa,20min交变5次。
图5 不同灭菌方式处理后牛乳全蛋白SDS-PAGE电泳图谱
Fig.5 Electrophoretogram of the whole proteins in milk treated by the different types of sterilization

    从所得的图谱可以看出,与原乳相比,经UHT、巴氏和500MPa交变处理的牛乳中靠近负极方向第一条谱带消失,第二条谱带颜色变浅,由此推测经上述处理后牛乳中有一些蛋白质的亚基发生了解离;而经400MPa交变处理的牛乳与原乳的全蛋白电泳图谱相似。
3 结
3.1 在试验压力(350~600MPa)和加压时间(5~30min)范围内,压力越高,保压时间越长对牛乳中细菌的杀菌效果越好,但当压力或加压时间达到某一值后,即压力为450MPa或加压时间为25min后,再提高压力或延长加压时间,杀菌效果变化并不明显。
3.2 在600MPa下,不论是连续式加压还是交变式加压方式的杀菌效果都明显优于巴氏杀菌效果,而且在加压总时间相同的情况下,后者优于前者的杀菌效果,交变次数越多杀菌效果越好;对于不同加压时间(20min和25min)而言,相同加压方式的杀菌效果差别不大;相比单一的杀菌处理方式,采用不同的压力处理方式(连续加压、交变加压)结合栅栏技术可以更有效的杀灭牛乳中的细菌。
3.3 通过对生鲜牛乳、巴氏杀菌牛乳和超高压牛乳中总蛋白、氨基酸、矿物质等营养成分含量的分析,发现超高压杀菌方式对牛乳中各种营养成分破坏程度小,更接近生鲜牛乳的营养价值;而且超高压杀菌可以大大延长牛乳的保质期,这对扩大超高压杀菌乳的销售半径非常有利。
3.4 根据试验结果,初步确定超高压杀菌牛乳的工艺条件:常温,400MPa,加压20 min交变4次(加压5min间隔2min),添加终浓度100mg/Lε-聚赖氨酸。
参考文献
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