牛乳加工中熱穩定性的研究進展

華欣春，曲鵬，王彩云

（1內蒙古乳業技術研究院有限責任公司，呼和浩特010110；2內蒙古伊利實業集團股份有限公司，呼和浩特010110）

0 引 言

牛乳作為一種天然的飲品，富含人體必需的多種營養成份，同時也是微生物包括致病菌良好的“培養基”，為了滿足乳制品的衛生要求，熱處理是牛乳加工中常用的工藝。熱處理對牛乳中蛋白質、乳糖和礦物鹽造成不同程度的物理化學變化，出現沉淀、結塊和水乳分離等熱穩定性問題，所以研究熱處理對乳制品熱穩定性影響對于乳品工業至關重要。

超高溫瞬時滅菌（UHT）是牛乳最常見的熱處理工藝，其工藝關鍵點在于殺菌溫度和時間的組合，以及在殺菌前的升溫過程和殺菌后冷卻過程，要滿足細菌效果和化學效果的要求，必須綜合考慮對牛乳的熱處理強度，如果熱處理強度過高就會導致牛乳蛋白質變性過度、破壞礦物鹽和酪蛋白膠束平衡關系，出現沉淀、結膠或水乳分離的現象。如果熱處理強度過低，又會導致芽孢殺菌不徹底、酶類不能有效鈍化，從而導致在貨架期中出現酸敗、發苦、結塊和水乳分離等現象。所以牛乳在熱處理后的變化、影響其熱穩定性的因子及其牛乳熱穩定性評估方法也成為乳企的研究熱點。

1 牛乳的不同熱處理工藝

牛乳在加工過程中為實現不同的目的需要對其進行加熱處理，在原奶收集后為了控制微生物的繁殖，通常會將牛乳冷卻在6℃以下，而牧場為了保證原奶微生物控制會使用60℃左右加熱10 s左右，然后再冷卻到6℃以下運輸至加工廠。

牛乳加工成不同的液態產品時，有不同的加工工藝，就純奶而言通常的產品有巴氏奶、ESL奶和UHT奶。三種加工工藝主要區別在于熱處理的目的和強度的差異，如下表不同熱處理的加工工藝的溫度時間組合及差異，可以達到的微生物殺滅效果有所差異[1-2]。不同熱處理工藝的滅菌效果見表1。

1.1 間接UHT和直接UHT

為實現商業無菌的產品，必須使用UHT殺菌及無菌灌裝工藝，UHT殺菌分為直接式殺菌和間接式殺菌，直接式殺菌又分為噴射式和浸入式兩種，間接式殺菌分為管式、板式、刮板式、保持式滅菌等多種類型。間接殺菌和直接殺菌對牛乳的化學效果和微生物效果對比見表2：

表1 不同熱處理工藝參數及微生物殺滅效果

表2 直接殺菌和間接殺菌的對比

間接UHT和直接UHT加工牛乳的化學變化差異主要由于加熱方式不同，其溫度變化曲線不同導致，兩者在達到相同滅菌效果時（或熱處理強度F0值），間接UHT（圖1b）的熱負荷遠遠大于直接UHT（圖1a），所以直接式殺菌的熱負荷產物較少，且乳清蛋白變性率較低。

圖1 直接殺菌和間接殺菌的溫度變化曲線

1.2 UHT與保持式滅菌

通常在牛乳殺菌后如果是無菌灌裝會選擇冷灌裝，而在殺菌后是潔凈灌裝或超潔凈灌裝都要熱灌裝，并且在灌裝后再通過二次滅菌（保持滅菌）實現微生物的殺滅而實現商業無菌，保持滅菌一般在較低溫度30 min左右時間批次殺菌，其與間接UHT滅菌對比見表3[4-5]。兩者主要差異是熱負荷強度，由于保持滅菌的熱負荷強度高，所以其加工牛奶發生強烈美拉德反應，最終產品的蒸煮味和褐變較間接UHT更加嚴重。

表3 UHT殺菌和保持殺菌的對比

2 牛乳在加熱過程中發生的變化

2.1 密度變化

牛乳的密度與溫度、組成相關，在20℃時牛乳的密度約為1.03 g/cm3,此時脂肪為液態，低于10℃時脂肪會凝固，此時牛乳的密度約為1.2 g/cm3。牛乳在5～40℃隨溫度升高密度降低，非脂乳固體成分增加，牛乳的密度增加。溫度大于40℃時，牛乳的密度值變化很小，所以一般測定牛乳密度時要先加熱到40℃，然后降低到特定的溫度進行測定，目的是確保脂肪最大限度的轉化為液態[4]。

牛乳的密度與其黏度密切相關，而黏度是影響熱處理關鍵指標，如下分析牛乳在熱處理過程中黏度的變化。

2.2 黏度變化

牛乳主要成分為水、蛋白質、脂肪、乳糖、礦物鹽和維生素，整體為一類乳濁液，生乳為一種非牛頓流體，而經過均質或脫脂乳則表現為牛頓流體特性，首先在加熱過程中隨著溫度變化其黏度也隨之變化，脫脂乳或均質全脂乳在UHT加熱過程中黏度隨溫度從常溫到100℃有降低趨勢，而100℃至140℃過程中黏度值顯上升趨勢，并在140℃達到峰值。牛乳（非生乳）在一定范圍內恒定溫度和不同剪切速率條件下其黏度值基本保持不變[4]。

2.3 酸度變化

牛乳的酸度分為自然酸度和發酵酸度，一般合格原奶總酸度在12～18oT，為弱酸體系，pH值在6.6～6.8之間（溫度25℃）。牛乳的酸度隨熱處理溫度的升高而升高（pH值降低），而在高溫處理時酸度升高（pH值降低）主要因為酸的形成，而熱處理后冷卻的牛乳酸度都會有所降低，主要因為二氧化碳的損失。牛乳酸度越高熱穩定性越差，越容易凝固[6]。

2.4 pH值的變化

牛乳的pH值和酸度存在一定的負相關性，pH值越低其酸度越高，但受牛乳種類、加工條件等因素影響，牛乳在經過熱處理后其pH值會發生改變，一般在經過UHT處理后的牛乳其pH值會有所降低，表4為不同加工工藝對牛乳的pH值和鈣離子的影響[1]。

表4 不同加工工藝對牛乳pH和鈣離子濃度的影響

2.5 鈣離子和礦物鹽平衡的變化

鈣在牛乳中以膠體磷酸鈣、磷酸鈣和游離鈣離子三種形式存在，并且三種形式以動態平衡方式存在（礦物鹽平衡），在加熱過程中礦物鹽平衡會發生偏移[7]，但傳統檢測方法無法在高溫條件下（140℃）檢測鈣離子的含量，Lew is開發了一種在高溫條件下檢測鈣離子的設備，其試驗結果得出在高溫熱處理時游離鈣離子含量會降低，礦物鹽平衡會向膠體磷酸鈣方向移動，更多的鈣離子進入酪蛋白膠束內部，但這種礦物鹽平衡的移動會在牛乳冷卻后恢復常溫狀態（Lew is，見4的配圖）。磷酸鈣和檸檬酸鈣的溶解度極低，平衡過程中受到溫度、離子強度、pH改變等多種因素影響，礦物鹽平衡如圖2所示：

圖2 牛乳礦物鹽平衡圖示

2.6 蛋白質的變化

2.6.1 酪蛋白

乳蛋白在溫和熱處理不影響乳蛋白的一級結構和肽鍵，而是作用于二級和三級結構。酪蛋白是一種相對熱穩定性的蛋白質，酪蛋白溶液于100℃下加熱30 min，幾乎沒有變化；在140℃以上的溫度加熱時，開始凝固[8]。

酪蛋白的脯氨酸能阻止蛋白質凝聚的氫鍵形成，120℃加熱1 h有近50%酪蛋白去磷酸化，去磷酸化后的酪蛋白熱穩定性更好，結合更少的游離鈣離子[9]。酪蛋白在加熱時會發生水解，長時間高溫處理后部分酪蛋白會轉化為非蛋白氮，但對于UHT殺菌時此變化很小。κ-酪蛋白對酪蛋白膠束有保護作用，其位于酪蛋白膠束的表面，它也是決定酪蛋白膠束熱穩定性的關鍵因素。

2.6.2 乳清蛋白

乳清蛋白主要組成為α-乳白蛋白、β-乳球蛋白、血清白蛋白、免疫球蛋白等。牛乳經過熱處理后，其感官的變化與乳清蛋白的熱變性相關，牛乳高溫加熱后，由于乳球蛋白變性而使黏度增大。乳清蛋白為熱敏蛋白，一般在超過70℃熱處理就會發生不同程度的變性[10]，巴氏殺菌乳清蛋白變性率達10%～20%，直接UHT達40%～60%，間接UHT達70%～90%[11]。

乳清蛋白的變性與熱處理的溫度和時間相關，77.5℃加熱60min或90℃5min就徹底變性，乳清蛋白變性并不直接沉淀，而是與酪蛋白結合在酸化時共沉淀，其在加熱過程β-乳球蛋白與酪蛋白膠束表面的κ-酪蛋白通過巰基二硫鍵結合[1,4,12,13]。

2.6.3 酪蛋白與乳清蛋白相互作用

乳清蛋白在70～100℃溫度熱處理過程中變性，其中β-乳球蛋白與酪蛋白膠束的κ-酪蛋白相互結合，而α-乳白蛋白通過與β-乳球蛋白形成復合物間接與酪蛋白膠束結合[8]。當pH值較高時（＞7.0）加熱時，乳清蛋白不和酪蛋白結合，此時牛乳的熱穩定性更好，可見乳清蛋白與酪蛋白結合后降低了酪蛋白的熱穩定性，而且兩者的結合依賴于pH值的變化，pH越高結合越小，pH大于7.0時兩者幾乎不再結合，且牛乳熱穩定性隨pH升高而增強，可見酪蛋白膠束在不與乳清蛋白結合的狀態下熱穩定性非常好[14]。

2.7 乳脂肪的變化

乳脂肪主要成分為甘油三酯，大于40℃后以液體形態存在，高溫處理牛乳會抑制脂肪的自發氧化，但脂肪酸及其殘基有可能被氧化，有的氧化產物會影響產品的風味，如腥味、金屬味等。氧化反應的程度與溶解氧的含量、儲存溫度相關[15]。

2.8 乳糖的變化

乳糖是牛乳主要的糖水化合物，普通熱處理對乳糖沒有太大的改變，但強烈的加熱會造成乳糖分解，尤其濃縮乳較為明顯，加熱反應生成有機酸和乳果糖，有機酸主要為甲酸、乳酸和丙酮酸等，也會導致牛乳pH值得下降[16]。

2.9 褐變反應

牛乳在高溫熱處理會發生褐變反應，主要是酪蛋白的末端氨基酸殘基的氨基與乳糖的羰基發生反應，也就是美拉德反應。溫度越高處理時間越長，褐變的程度越強。牛乳中添加尿素會促進褐變反應，主要是尿素的氨基參與和乳糖的褐變反應。同時發現尿素會起到保護蛋白氨基的作用，而且作用與酪蛋白膠束的四級結構而促進其熱穩定性[4]。

3 影響牛奶熱穩定性的因子

熱穩定性是牛奶重要的加工特性之一，牛乳在滅菌（熱處理）時抵抗凝膠的能力。其實確保牛奶通過加熱處理后可以加工成形狀穩定并且在貨架期內穩定的產品。國內外有很多研究證明，牛乳的熱穩定性（UHT）與其組分含量、pH值和微量的礦物鹽相關，而且即使是相同來源的牛乳其組分和熱穩定性也會有變化，其熱穩定性是多種因子共同綜合影響的結果。

3.1 膜濾技術對牛奶組分的改變應用對牛奶熱穩定性的影響

膜濾技術（微濾、超濾、納濾和反滲透）在濃縮脫脂奶后，酪蛋白膠束直接容易形成粘結而在膜表面形成凝膠層，在濃縮液體系中也容易導致酪蛋白膠束的粘結，在熱處理時其更容易凝固[17]。膜濾技術濃縮脫脂奶時會改變脫脂奶的pH值、鈣離子含量、蛋白質含量等多個組分的變化，最終影響牛乳的熱穩定性[18]。

3.2 蛋白質的影響

根據牛乳熱穩定性不同分為A型牛奶和B性牛奶（A型有最大值和最小值，B型無最小值），其中影響牛乳熱穩定性的組分的蛋白質中，κ-酪蛋白和β-乳球蛋白相互作用為主要因素，研究發現在A型牛奶添加κ-酪蛋白可以降低或消除最小值而轉化為B型牛奶，證明B型牛奶表面有較多的κ-酪蛋白。還有研究發現添加β-乳球蛋白也可以使A型牛奶轉化為B型，所以熱穩定性曲線由κ-酪蛋白和β-乳球蛋白比例決定[1-4]。

總蛋白的濃度、酪蛋白含量、β-乳球蛋白含量均對熱穩定性有重要影響，一般總蛋白含量越高其熱穩定性越差，這就要求我們在開發高蛋白牛奶時考慮體系的穩定性和UHT運行時間。β-乳球蛋白在加熱過程與酪蛋白聚合防止了酪蛋白膠束在pH值6.5～6.7的熱凝固，而當pH大于6.9時它有促進了膠束酪蛋白的解離而降低酪蛋白膠束的熱穩定性。

3.3 pH的影響

pH值是影響牛乳熱穩定性的最重要因素，大多數牛乳為A型，在pH 6.6～6.7時有最大凝固時間，在pH 6.7～6.9有最短凝固時間。A型牛乳的HCT曲線還受其他多種因素影響，例如乳清蛋白、κ-酪蛋白、尿素、鈣離子、膠體磷酸鈣、預熱處理等因素。高溫條件下牛乳的pH會降低值5.5左右（Lew is高溫條件下檢測pH儀器），但熱誘導的pH值變化是可逆的，當牛乳在冷卻到常溫時pH值又升高到原始值左右[19]。

A型牛乳出現最小值可能原因是β乳球蛋白和κ-酪蛋白結合在pH結合能力最大，兩者結合發生共沉淀，而pH值大于6.9后β-乳球蛋白與κ-酪蛋白解離，酪蛋白膠束的熱穩定性占主導，從而熱穩定性隨pH值升高而加強。

3.4 礦物鹽的影響

牛乳含有豐富的礦物鹽，礦物鹽含量在0.7%左右，占牛乳總固形物含量約5%，主要以磷酸鈣、檸檬酸鈣、氯化鈉、氯化鉀等。其中影響牛乳熱穩定性的主要礦物質為磷酸鈣，其在牛乳中有三種形態：膠體磷酸鈣、溶解磷酸鈣和游離鈣離子，三種形態體現一種動態平衡關系（礦物鹽平衡）見圖3，當溫度升高、pH值升高，游離鈣離子降低，磷酸鈣向酪蛋白膠束中移動[11]。RO/蒸發pH降低，鈣離子稍有增加，UF濃縮pH變化不明顯，鈣離子增加明顯，磷酸氫二鈉DSHP：pH增高，鈣離子降低，硫代氨基脲TSC：pH增高，鈣離子降低，六偏磷酸鈉：pH無明顯變化，鈣離子降低，冷凍：pH無明顯變化，鈣離子降低，UHT滅菌（超高溫瞬時滅菌）：pH無明顯變化，鈣離子降低，添加氯化鈣：pH降低，鈣離子明顯增加[1,20]。

圖3 不同處理對牛乳pH和鈣離子含量影響趨勢圖[1]

3.5 季節

G randisn（1988）對全年牛乳在UHT加工運行時間進行對比試驗，發現不同季節的牛奶的UHT運行時間差異很大見圖4，但通過物理和化學成分檢測并不能發現任何差異，這種差異性還沒有清楚的結論。季節不同主要是奶牛飼養飼料、飼養環境溫度和氣候不同[1]。

圖4 不同季節牛奶的UHT運行時間

3.6 泌乳期

奶牛不同泌乳期生產的原料乳熱穩定性差異明顯，很大程度是因為組成的差異導致，一般泌乳早期和晚期的牛乳乳清蛋白含量較高，初乳和末乳的pH值也與常乳有差異，都不在常乳熱穩定性pH范圍（6.6～6.7），整個泌乳期總檸檬酸鹽和可溶性檸檬酸鹽含量明顯下降，所以一般初乳和末乳的熱穩定性較常乳都差[4]。

3.7 加熱工藝

牛乳在加熱過程中，蛋白質容易發生變化，不同加熱工藝其對牛乳的熱處理強度不同，在UHT殺菌過程中溫度越高受熱強度越大（相同升溫速率和滅菌時間），其熱穩定性越差。現有很多研究針對牛乳的熱穩定性主要研究其HCT（加熱凝固時間）和UHT的運行時間的研究，還沒有針對兩個結論進行數據模型的關聯通過HCT來預測實際生產時的UHT運行時間。

4 牛奶熱穩定性評價方法

牛乳的熱穩定性是指牛乳在加熱過程抵抗熱凝乳的能力，通常以加熱到某一溫度條件下維持正常狀態直至蛋白凝固的時間來衡量其熱穩定性（熱凝固時間-HCT）。牛乳熱穩定性有多種試驗評價方法，在此總結了常用可靠的方法。

4.1 熱凝固溫度和熱凝固時間

常用的熱穩定性評價方法是將牛乳密封在玻璃管中，玻璃管選擇耐壓耐高溫的石英玻璃（賀利氏石英玻璃）容積4～8 m L，內徑1 cm以內，以確保快速的熱傳導和樣品的流動，一端開口一端為圓平底，開口一端使用聚四氟乙烯套墊通過鋼板家具實現固定和密封，然后將玻璃管置于油中加熱，使用黏度較低的二甲基硅油，確保油浴鍋內上下層的油溫均勻。熱凝固溫度是固定觀察時間，改變油浴溫度來分析樣品經過一定時間后的變化或是否凝固，而熱凝固時間是固定油浴加熱溫度，然后觀察樣品從達到目標溫度至蛋白絮凝出現的時間，該方法會受到樣品添加量、玻璃管搖擺速度、傾斜角度、樣品升溫速率等因素影響。通常油浴溫度選擇120℃～140℃，此方法為主觀判斷凝固出現的時間，實驗結果會有一定的人為誤差，且該方法是觀察樣品凝固的終點變化，即肉眼可見顆粒[21]。

4.2 離心沉淀法（離心沉淀率評估體系變化）

通過測定經熱處理后以低速離心沉淀方法，以質量百分比來確定熱穩定性，該方法還有用在粉末原料化料效果的驗證，在做熱穩定性評價時，一般使用3 000～10 000 g離心力，需要對樣品熱處理不同時間取樣，檢測發現離心沉淀率迅速增加并超過一定范圍則說明樣品已經出現絮凝，該方法較為客觀，且分析樣品凝固起點（與熱凝固時間方法觀察凝固終點恰好相反）[22]。

4.3 換熱設備的結垢

通過UHT試驗設備測量總傳熱系數（OHTC）[1]：單位時間通過單位面積傳遞的熱量，其值越高傳熱效率越高，如圖5為不同熱處理溫度條件下總傳熱系數隨時間的變化，從圖中可以看出，總傳熱系數的降低說明UHT設備的持熱管已經結垢，當低于一定值后必須停機清洗，從而評估UHT的運行時間。

4.4 黏度的測量

通過流變儀高溫高壓單元檢測樣品在升溫和保溫過程一定剪切速率的黏度值，在發生蛋白質凝固時體系的黏度會迅速上升，此時為絮凝的出現。

4.5 酪蛋白膠束粒度值

圖5 山羊奶在不同溫度總傳熱系數隨加工時間的變化

粒徑分析法與離心沉淀法類似，觀察的是樣品出現絮凝的起點，客觀的分析樣品的在熱處理后蛋白的變化，通過檢測粒度值發現通過一定熱處理時間后樣品粒度會迅速增大，這可以判斷樣品絮凝的開始時間點[23]。

4.6 酒精穩定性

使用一定濃度乙醇與等體積牛乳混合，混勻后觀察牛乳是否出現絮凝，乙醇穩定性可以用來評估牛奶的UHT熱穩定性，如果乙醇穩定性低于75%時需要謹慎對待，如果乙醇穩定性高于75%，但存在沉淀物問題（大于0.5%），可能是添加過量的穩定劑導致[24]。

4.7 磷酸鹽試驗

使用牛乳10 m L與一定體積的0.5M磷酸二氫鉀混合，然后再100℃加熱10 min后觀察牛乳穩定性，添加磷酸二氫鉀的體積為評估熱穩定性的標準[25-26]。

5 總結

本綜述首先介紹了牛乳常用的熱處理工藝，對比了不同熱處理的工藝參數和殺菌微生物的效果，其次并分析了牛乳在加熱過程中發生的變化，闡述了牛乳在加熱過程中蛋白質、礦物鹽等主要組分相互作用及其發生的變化。總結了內外部對影響牛乳熱穩定性因素，并對影響因素如何對牛奶特性發生改變進行分析，為我們在乳制品開發提供參考。最后總結了牛乳熱穩定性評價方法，并結合本人試驗應用的方法分析了不同方法的優勢和不足，為我們后續再研究牛乳熱穩定性奠定了基礎。