評估超高溫滅菌奶安全和質量的2 個重要參數

編譯/陳美霞校/顧佳升（中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所；上海奶業行業協會）

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評估超高溫滅菌奶安全和質量的2 個重要參數

編譯/陳美霞1校/顧佳升2
（1中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所；2上海奶業行業協會）

摘 要：使用了一套電子程序表格，用于評估在連續熱交換器中經過不同升溫和降溫處理后牛奶的安全和質量參數。安全參數包括致死率F0值、微生物滅活B*值；質量參數包括化學變化C*值、硫胺素損失量、乳果糖生成量、美拉德褐變及羥甲基糠醛值等。在牛奶中試加工車間中，利用升溫和降溫的溫度變化數值可對牛奶的上述參數進行預測，溫度范圍為120～150℃，時間包括4、27和58 s。在同一中試車間按上述條件對牛奶進行加工，并選擇一系列牛奶樣品對該電子程序進行校正。結果表明，所有C*＜3的牛奶樣品阿沙芬堡濁度都呈陽性。在乳果糖活化能等于122 kJ/mol時，預測值和試驗觀測值一致性最好。最佳質量終產品對應的牛奶加工條件為135 ℃/10 s，此時B*=1.24，C*=0.55。在此條件下加工的牛奶與其它2 個牛奶相比，感官特性與C*=1.5對應條件下加工的牛奶類似，但與C*=6對應條件下加工的牛奶不同。牛奶剛加工完成時，僅熱處理非常強烈的樣品有可見的褐變，若在≥30 ℃條件下存儲，褐變會變得比較明顯。該電子程序可以用來比較不同熱處理模式下生產產品的特性；或作為一種手段，用于在升溫和降溫速率固定的情況下UHT設備運行條件的優化。

關鍵詞：B*；C*；褐變；乳果糖；感官特性；濁度；UHT奶

與保持法滅菌相比，超高溫（UHT）處理所涉及的高溫滅菌，溫度較高但保持時間較短，因此引起的化學變化較小。UHT涉及到升溫、保持和降溫3 個階段，為了簡化計算過程，有時會忽略升溫和降溫引起的化學變化。這種簡化方式對于直接式UHT而言是合理的，但是會低估間接式UHT過程的化學變化，因為間接式UHT有延長升溫和冷卻的過程（例如在有高效熱回收率的工廠及在某些管式熱交換器中），在這種情況下，升溫和冷卻階段微生物失活及化學變化的額外效應，甚至可能會超過保持管部分。因此，延長升溫和冷卻時間生產的UHT產品，將很難與保持法滅菌產品相互區分；UHT滅菌之前過度的“預熱”也會產生類似的結果。

本研究的目的是完善一套電子程序，用于評估不同升溫及降溫冷卻模式下生產的奶產品的相關安全及質量參數，并用于加工條件的優化。為此，在中試車間里使用不同的條件加工了多批滅菌奶，并對其進行了物理的、化學的測試和感官評定，重點運用C*值指標進行品質調查。本研究是對Mottar［1］研究的延續，以他曾發表過的溫度/時間模式為例進行研究，并對不同條件下的化學效應和微生物致死率進行了評估。

目前部分受工藝影響的質量指標已經得到了研究，如奶的顏色變化［2］、羥甲基糠醛（HMF）［3］、硫胺素（VB1）［4］、有效賴氨酸［5］、乳果糖［6～8］、異構乳糖［9］、糠氨酸［10］、N6-甲基腺苷［11，12］、N-羧甲基賴氨酸的形成（CML）［10］等；另外還包括阿沙芬堡濁度試驗和酶失活測試。風味測試也是品質評估的一個重要方面，Nursten［13］對此有過綜述，Andrews和Morant［14］認為煮熟的味道和可接受的味道是區分保持法滅菌和UHT滅菌的最好方法。Kessler［15］綜述了熱處理對牛奶的影響，還羅列了不同的溫度/時間組合對硫胺素、賴氨酸損失，羥甲基糠醛形成及乳清蛋白變性的影響。進一步引入了2 個參數來評估UHT產品，設定135 ℃作為參考溫度，測定殺滅微生物效果B*值和C*值（反映化學變化即活性破壞程度——譯者注）。如果一個工藝過程的B*=1，意味著該過程足以減少九成的中溫芽孢（z=10.5 ℃），即相當于在135 ℃下保持了10.1 s；如果一個工藝過程的C*=1，意味著VB1的損失為3%（z=31.4 ℃），即相當于在135 ℃下保持了30.5 s。由此得出系統控制的臨界極限是：B*＞1，且C*＜1。

有些研究涉及到了UHT產品的品質與受熱過程的關系。Adams［16］等開發了一套計算機程序，用于預測牛奶在升溫、保持、降溫過程中的溫度變化曲線及物料特征性質的變化，得出一個結論：至少36%的糖類在升溫階段發生了變化。Motta［1］對10 個具有不同溫度/時間模式的UHT工廠的加工過程進行了滅菌和化學反應擬合，發現大部分間接加工工廠的產品存在過度的化學傷害。Ramnesh［17］綜述了保持法滅菌對食品的最佳滅菌方法。Artega［18］認為工藝優化的前提是至少滅活40%的蛋白酶和脂肪酶，同時盡可能減少HMF的生成和色澤的變化。盡管工藝優化的討論都涉及到了溫度的階梯式變化，然而這些并不意味升溫和降溫的真實過程。

1 材料與方法

使用微軟Excel制作電子分析表，輸入的數據包括升溫和降溫冷卻時的溫度變化數值，以及保溫管的條件。為評價整體的溫度分布，需將升溫和冷卻降溫過程各平分為100 個時間點（基于升溫和降溫冷卻的線性溫度變化速率和在活塞流模式下的平均滯留時間理論），然后用來計算安全（微生物）及質量（化學）2個參數。同時假設在溫度低于80 ℃的情況下，熱處理對牛奶的安全及質量參數不產生任何影響。該電子分析表可以根據選定的致死率（F0值）、乳果糖、B*、C*及溫度的上限或下限等參數，靈活轉換保溫管的溫度和時間組合。這對于那些升溫和降溫時間較長，或者是升溫和降溫時間是固定不變的工廠而言，都非常有意義。

試驗使用APV板式熱交換UHT機（APV，Crawley，UK）加工牛奶，加熱過程包括熱水加熱（80 ℃）和蒸汽加熱（122～152 ℃）2 個階段。目前關于改變加熱管長度方面有明確的規定。Prasad等［19］試驗表明，為使加熱階段的滯留時間為20 s，冷卻階段的滯留時間為7 s，需要設定恒定流速。牛奶的均質需要在170 bar壓力條件下，在升溫的某個階段里進行。牛奶的商業化熱處理加工，覆蓋了120、130、140、150 ℃溫度區間和4、27、58 s保持時間范圍，但是在間接UHT的中試設備里，升溫和冷卻速度相比都要快一些。

對加工的所有牛奶樣品按照熱處理法規［20］中描述的方法進行阿沙芬堡濁度試驗，測定煮沸前濾液的吸光度值，以提高定量效果；測定時需要將濾液稀釋20倍，測定276.5 nm處的吸光度值，此波長下測定的結果是未變性乳清蛋白和非蛋白氮（NPN）的總量，因此需要一個控制樣品（用煮沸了的牛奶的吸光度值作為濁度試驗的陰性對照樣）來校正NPN值。根據Geier 和Klostermeyer等［21］的研究，使用酶法測定上述牛奶樣品中的乳果糖含量。利用電子分析表評估了3 種商品牛奶，從中篩選出該工廠生產最佳產品的條件是135 ℃/10 s。使用Hunter Colourquest分光光度計（Hunter Associate Laboratory Inc.，Reston，VA，USA）在2 個發光條件（D65和鎢燈，Hunt［22］）下測定這3 種牛奶的顏色，結果用CIELAB L*、a*和b*表示，任2 個產品之間的顏色差異值（ΔE）按下式計算：

20 個未經訓練的品鑒者組成消費者評審小組對3 種牛奶樣品（C*分別為0.55、1.50、6.30）進行感官評價，以探究消費者對不同奶的可接受性、偏愛度及購買傾向。同時也利用定量描述分析（QDA）法對上述牛奶樣品進行感官特性的研究。牛奶樣品需要在分析3 周前準備好，2 ℃儲存，并于測定2 h前放置在7～9 ℃。參照Prasad［19］的調查開展問卷調查與描述記錄。以毫米為單位線段長度，來表示感官評價的強度等級，計算每個屬性的平均值，然后制作雷達圖（也叫蛛網圖）。

利用兩因子方差分析進行統計分析，統計顯著性設為0.05，計算F和P值。最后利用最小顯著性差異分析來確定均值之間的差異顯著性。

電子分析表還可用來評估在固定保持條件的情形下（140 ℃/2 s），延長升溫和降溫冷卻時間（1～120 s）等各種效應。

2 結果與討論

本中試車間加工牛奶時，采用的滅菌溫度范圍為120～150 ℃，保持時間分別為4、27和58 s，用電子程序預測得出的牛奶相關安全、質量參數分別見表1、2和3。其中升溫階段、保溫階段及降溫冷卻階段，對各安全及質量參數總值的貢獻均有體現。可以看出，加工不同熱處理強度的商品奶的目的已經實現（從熱處理強度比較低的延長貨架期的奶，到熱處理強度強烈的UHT奶）。其中4 s（表1）是目前許多商業UHT過程采用的保溫時間。140 ℃時，F0=7.94、B*=1.85（其中67%來源于保溫管）；溫度升高到150 ℃，微生物致死率升高約10 倍，而C*仍低于1.0，表明磺胺素損失率低于3%。120 ℃/4 s對微生物致死率沒有顯著作用（F0=0.09），因此該條件下加工的牛奶在室溫條件下很快就會腐敗，此類條件一般適用于生產延長貨架期的牛奶（即冷藏條件下貨架期比巴氏殺菌奶長）［23］。

表1　保持時間為4 s條件下生產奶樣的計算機模擬結果

表2　保持時間為27s條件下生產奶樣的計算機模擬結果

表3　保持時間為58 s條件下生產奶樣的計算機模擬結果

表3（續）

圖1　紫外分光光度計測出的C*值與乳清蛋白變性之間的關系

當延長保溫時間（如使用27 s和58 s）時，牛奶會發生更多的化學損傷，這類似于升溫和冷卻速度較慢或包含預熱階段（表2和3）的商業牛奶加工過程。只是商業牛奶生產時大部分化學反應發生在保溫管部分，而非升溫和冷卻階段。溫度升高，保溫階段對牛奶中總化學變化的貢獻率僅有很小的增加：如保溫時間為27 s時，溫度從120 ℃升高到150 ℃，貢獻率從78%升高到82%；保溫時間為58 s時，溫度從120 ℃升高到150 ℃，貢獻率從88%升高到92%。在微生物失活方面，效果也相似，120 ℃/27 s時保溫管對微生物失活的貢獻率＞90%，隨著溫度的升高和時間的延長，保溫管的貢獻率變高。此外，從化學變化角度看，這些條件下生產的牛奶類似于商業中延長升溫和冷卻階段時間生產出的牛奶；從微生物角度看，140 ℃和150 ℃的條件均為過度加工，因為此時F0和B*值都很高。

所有的牛奶樣品都進行阿沙芬堡濁度試驗結果表明，唯一一個濁度呈陰性的樣品的加工條件為150 ℃/58 s（對應C*=6.3），其它樣品濁度都呈陽性，說明這些牛奶中含有未變性乳清蛋白；另外它們的C*≤3，說明未變性乳清蛋白可檢出的閾值可能在C*=3和C*=6之間。

有研究者用濁度測定法區分滅菌奶和UHT奶［24］。然而有些UHT奶，尤其是C*＞0.7的奶，其產生的濁度值非常低，因此與滅菌奶的濁度值會產生交叉重疊。大部分的UHT奶都要經過相當強烈的預熱過程（90 ℃/120 s），該條件會造成大量的乳清蛋白變性，而C*值卻沒有很大的增加。本試驗得出的C*閾值比較高，可能是由于沒有用到預熱過程。在過去的10 年里，雷迪大學（The University of Reading）的學生在上UHT實踐課時發現，某些商業UHT奶的濁度呈陰性。濁度的出現既可能是由于UHT過程中過慢的升溫和降溫，也可能是因為預熱過于強烈了。

改良后的濁度測試方法，主要是加入硫酸銨后再測定濾液的吸光度值（稀釋20 倍比較合適）。此時牛奶樣品的C*值和吸光度值之間呈現較好的相關性（圖1）。在這種情況下，可以用滅菌奶提取液的吸光度值來校正濾液的吸光度值，以除去NPN的影響。不過這樣做存在1 個缺點：不同的牛奶樣品中NPN量有輕微的波動。因此想用這種方法來更加準確地定量乳清蛋白的變性程度的話，還需要進一步的研究。另外，還可以用濁度計來測定奶樣的濁度，以濁度計單位或濁度單位來表示［24］。

表4列出了乳果糖的實測值和預測值，其中預測值是基于Andrews［7］研究時得出的活化能為151 kJ/mol來計算的，可以看出，預測值比測定值高。因此又使用其它活化能值重新進行預測，發現基于活化能為122 kJ/mol計算得出的預測值與130～150 ℃范圍內的實測值一致性最好，此時乳果糖和活化能之間的相關性為：

這種計算活化能的方法與Andrews的研究相似，都是基于乳果糖反應動力學遵循阿倫烏斯方程的假設。另外還發現乳果糖的實測值與用電子程序預測的C*值有很好的相關性：

表1～3給出了活化能E=151 kJ/mol和E=122 kJ/ mol對應的乳果糖阿倫烏斯值。

乳果糖是表征強烈熱處理的一個重要指標，因為生鮮乳中沒有乳果糖，因此不需要知道乳果糖的初始濃度（這如同羥甲基糠醛等其它許多指標）。Andrews和Morant［14］的研究表明，滅菌奶中乳果糖含量是間接UHT奶中的3 倍，是直接UHT奶中的2 倍。另外，他們還發現，乳脂含量對乳果糖含量沒有影響；間接UHT奶樣品和滅菌奶樣品中乳果糖含量存在交叉，區分2 種加工方式的臨界值是2 個分布均值間的中點，即682 mg/ L。Andrews［25］建議以乳果糖含量為715 mg/L作為UHT奶的上限、滅菌奶的下限，這與上述結果具有可比性。基于這些發現，可以得知間接UHT奶樣品有8.5%的可能性被誤判為滅菌奶。本研究中部分間接UHT奶的乳果糖含量超過了UHT奶的上限。國際乳業聯盟（IDF）曾經討論過熱處理的標準［26］，初步建議UHT奶和滅菌奶中乳果糖含量應分別為＞100 mg/L和＞600 mg/L。

表4　牛奶樣品中乳果糖的計算機預測值與酶法定量分析的實測值

表5　奶樣感觀分析的比色法讀數值

該電子表格的功能是提供一種數學方法，用于構建既具有商業可接受性，又可提高終產品質量的新的加工條件。在本中試車間的一系列加工條件中，對應B*＞1且C*＜1的熱處理條件為135 ℃/10 s，此時C*=0.55，B*=1.24，乳果糖含量為73.6 mg/L，將該條件下加工的奶樣（683）與其它2 個最強熱處理條件（130 ℃/58 s和150 ℃/58 s）下加工的奶樣（179和472）進行了比較。顏色測定結果如表5所示，另外還包括由電子程序計算而得的褐變值、阿倫烏斯褐變系數等值。奶樣179和683的褐變指標值及C*值有顯著的差異，顏色卻沒有顯著差異（ΔE=0.298）；而奶樣179和683與熱處理強度最強的奶樣（472）相比，顏色存在顯著差異（ΔE分別為1.63和1.88）。由此可知，顏色方面的差異略低于121 ℃/143 s條件下對應C*=1.49時的褐變指數。該結果與Fink和Kessler［24］的研究結果一致，他們認為121 ℃條件下可檢測到顏色的時間閾值為400 s。因此，只有150 ℃/58 s條件下加工的牛奶才有明顯的褐變。感官評定的結果也證實了顏色方面的這些差異。

因此，與Fink和Kessler［24］發現的閾值121 ℃/400 s比較，該電子程序可以預測UHT奶加工后是否發生即時的明顯褐變。由于隨后的存儲過程中牛奶褐變的顏色會發生變化，因此把褐變作為評價熱處理嚴重程度的指標時需要謹慎。通常情況下，褐變速率會隨儲存溫度變化而變化，＞30 ℃時變化比較明顯。另外，儲存過程中褐變的量還取決于牛奶初始熱處理的程度，因為初始的熱處理會增加牛奶里中間產物的量。Joyeux［27］的試驗結果也可證明這一點。因此，褐變參數可以用來指示在延長存儲過程中產品發生變化的難易程度，這對于存儲在熱帶氣候條件下的產品尤其重要。此外，影響褐變的因素還包括含糖量和pH值，例如乳糖水解后的牛奶及加糖的牛奶比正常牛奶更易發生褐變。值得注意的是，由于UHT通常伴有升溫和預熱過程，牛奶在此期間會發生某些變化，因此，UHT奶在剛加工出來時通常比生鮮乳更白［28］，這一點在本研究中也能夠觀察到。

圖2　3 種不同牛奶樣品感官評價雷達圖

表6　140 ℃/2 s不同升溫和降溫速率條件下各參數值

感官評定是對3 種牛奶同時進行的，結果如圖2所示。將牛奶分發給2 組人員分別進行評定。他們都可以正確篩選出熱處理強度最強的牛奶（C*=6.30），對其烹飪風味、烹飪氣味、整體香味強度及黃色色差等指標，給出的分值都比較高，且能夠給出“不新鮮”的判斷。對于C*=0.5和C*=1.5的牛奶，在質量特性方面的描述都很類似，沒有顯著差異。盡管3 種牛奶的乳果糖（乳果糖的甜度約為乳糖的2 倍）含量不同，它們的甜度卻沒有顯著差異。消費者對這2 種低熱處理的牛奶的購買傾向也類似。以上結果表明，雖然UHT產品C*值差異較大（介于0.5和1.5之間），但是消費者并不能很容易地加以區分；盡管UHT加工條件有很大的變化范圍，但是生產出產品的感官特性卻沒有顯著的差異。

利用電子程序對一個標準時間/溫度組合的加工過程中不同質量參數進行了計算。該加工條件為140 ℃/2 s，加熱和冷卻速率介于1～120 s之間，結果見表6，其中也包括根據公式（3）計算得到的乳果糖含量值。根據這些結果可以預測，所有牛奶都低于褐變的閾值，濁度呈陽性，C*介于0.12～2.70之間。另外，結果還表明，有些UHT奶的濁度呈陰性，可能與持續的前期預熱溫度有關，而不是延長升溫和降溫的時間所致。推薦使用這樣的預熱條件來減少間接式加熱設備的結垢物污染［29］。

另外，我們還可以看到有些加工條件可以產生很強的微生物殺滅效果。過度熱處理的好處是可以提供額外的安全性，這對于含有較多耐熱孢子的原材料的熱處理非常有用。截至目前，很少有人將重點放在過熱處理的負面特性（可能導致微生物能適應更強的熱處理）方面。在這種背景下，需要注意的是耐熱芽孢子（Bacillus sporothermodurans），因為該微生物導致了歐洲某些國家UHT奶的失敗［30］。

3 結論

電子程序可以用來預測UHT奶的一系列安全及質量指標，因此可對不同加工條件下生產的產品進行比較和評估。商業運營商使用該電子程序可以量化UHT處理中的每個階段對終產品中微生物總致死率的貢獻，因此可以指示最強熱損傷發生的位置，從而有助于進一步優化溫度/時間模式，保證達到商業無菌的同時盡可能減少過熱處理引起的感官特性的下降。在新的間接式UHT設備安裝及微生物致死率試驗階段，該電子程序可對加工過程的許多物理和化學變化進行預測，無需進行昂貴的試驗。對于升溫和冷卻階段時間較長的工廠而言，可以利用該電子程序進行工藝條件優化。該電子程序的有效性已經在2 個乳品廠得到了驗證，不僅利用電子表格對乳品廠的UHT加工過程進行評估，還根據預測的感官特性的改善程度，對加工條件成功地進行了優化。

原文：Browning E，Lewis M，Macdougall D. Predicting safety and quality parameters for UHT-processed milks. International Journal of Dairy Technology，2001，54（3）：111-120.

資料性附錄

1、B*=∫10（T-135）/10.5）×dt/10.1［31］；

C*=∫10（（T-135）/31.4）×dt/30.5［31］。

2、IDF 3583——滅菌產品

（1）經過滅菌的產品（無論是包裝前還是包裝后的保持式滅菌），及滿足“達標產品規定”的相關規定，見IDF 48（1969）——滅菌乳控制管理條例。

（2）在低熱溫度范圍內保持較長時間的保持式滅菌產品，用IDF 133（1981）號公告“UHT滅菌乳專題”中改良的濁度測試方法，測定濁度時通常不會產生濁度。該規定也適用于以下產品：①先經過連續流動式熱處理，后在無菌容器中進行無菌包裝的產品；②首先在高溫連續流動式熱處理中保持較短的時間，隨后沒有無菌包裝，但是最后在無菌容器中在低熱溫度下保持一定時間以達到無菌（如UHT滅菌產品）。

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譯者簡介：

陳美霞（1991-），女，碩士研究生，從事奶產品質量與檢測技術研究工作。

收稿日期：（2015-12-07）