紫外殺菌技術在乳制品滅菌工藝中應用研究進展

張曉君，王彩云，程英，云戰友，楊吉武

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

0 引 言

乳制品通過熱殺菌可殺滅微生物，破壞酶類，以延長保質期。但熱殺菌會對乳制品的理化、營養、感官造成影響[1-2]。為了減少這些影響，人們開始研究紫外殺菌、超高壓殺菌、高壓脈沖電場殺菌、放射線殺菌、脈沖強光殺菌、微波殺菌等非熱殺菌技術[3]。

現有紫外殺菌設備對乳制品的殺菌效果較差使得紫外殺菌技術并沒有應用于乳制品殺菌，但隨著消費者對于乳制品風味、營養等要求的提高，紫外殺菌技術逐漸受到關注，促進了應用于乳制品的紫外殺菌設備研究與開發，使得乳制品的紫外殺菌成為可能。

本文介紹了紫外殺菌技術的定義、特點及對乳制品殺菌的研究現狀，同時列舉了應用于乳制品的紫外殺菌設備，為紫外殺菌技術應用于乳制品提供參考。

1 紫外殺菌技術

1.1 紫外殺菌定義

紫外殺菌是利用適當波長的紫外線破壞微生物機體細胞中DNA的分子結構，造成生長性細胞死亡和再生性細胞死亡，達到殺菌的效果。目前使用較為廣泛的紫外殺菌為微波紫外殺菌技術。微波紫外殺菌技術，全稱為微波動力無電極紫外殺菌技術，是針對傳統紫外系統的極限和缺陷研發出的新一代紫外殺菌技術，主要是更改了紫外燈。該技術使用的微波動力的無電極紫外線汞燈沒有直接來自外部電路的電子流放電，主要是應用微波功率來激發無電極的紫外線燈管。微波，即頻率在300～300 000 MHz的電磁波（波長1mm～1m），其產生大約需要12 s。如果在待機模式下供電，無電極燈可瞬時多次啟動而不影響燈管壽命。

與傳統紫外殺菌技術相比，微波紫外殺菌技術具有長壽命、不需備用系統，UV劑量可根據流量調整等超越當前紫外線殺菌的諸多優點。但微波紫外殺菌技術也存在一定的缺點，例如存在光復活、暗復活現象，更換紫外燈管費用貴及發出微波的磁電管壽命有限。

1.2 紫外殺菌原理

紫外線殺菌的原理主要是通過紫外線對微生物的照射，破壞及改變微生物組織結構（DNA核酸），導致核酸結構突變，生物體喪失復制、繁殖能力，功能遭到破壞，從而達到殺菌的目的。根據生物效應的不同，將紫外線按照波長劃分為4個部分：A波段（UV-A，320～400 nm），又稱為黑斑效應紫外線；B波段（UV-B，275～320 nm），又稱為紅斑效應紫外線；C波段（UV-C，200～275 nm），又稱滅菌紫外線，因為C波段紫外線很容易被生物體的DNA吸收，尤以253.7 nm左右的紫外線最佳；D波段（UV-D，100～200 nm），又稱真空紫外線。

2 紫外殺菌技術在乳制品行業的應用

在乳制品工業中，紫外線殺菌技術主要用于3個領域：表面殺菌、空氣殺菌和液體殺菌。在表面殺菌方面，例如紫外線常用于包裝材料（容器、包裝紙或瓶蓋）的消毒，在包裝材料運輸通道上用適宜的紫外線燈照射可以起到殺菌作用。莫建文[4]研究發現采用3016μw·s/cm2的紫外線可以使塑料瓶內壁金黃色葡萄球菌和大腸桿菌數量減少95%以上。在空氣殺菌方面，例如在生產車間空調系統中安裝UV裝置，輻射殺滅空氣中微生物[5]。在液體殺菌方面，例如在生產用水處理過程中，采用UV照射的方式對水進行消毒[6]。但對于飲料、果汁、牛奶等濁度較高的液態食品，紫外線的消毒效果十分有限，主要原因在于紫外線并不能穿透上述食品，無法有效的完成殺菌過程。

2.1 限制紫外殺菌技術應用的因素及解決方式

由于紫外線的穿透能力較低，所以對于待滅菌液體的色度、濁度等有一定要求[7]，這也限制了其應用范圍。在飲用水處理系統中，濮晨熹等[8]研究表明紫外線消毒效果隨出水濁度的升高而降低，當出水濁度＜3.5 NTU時，取得良好的紫外線消毒效果。顆粒物對紫外線消毒效果的影響主要與顆粒物的包裹作用及自身粒徑有關，濁度對紫外線消毒效果的影響主要是顆粒物的包裹作用造成的，而能起到包裹作用的顆粒物粒徑大于5μm。紫外線對液體的消毒效果主要取決于紫外線在液體中的透射率，透射率越高，接觸微生物的幾率就越高，殺菌效果就越好。Koutchma[9]總結了253.7 nm的紫外線在水、飲料及液體食品中的吸收系數及透射率，具體如表1所示。

由表1可以看出，除水外，對蘋果汁等液態食品使用紫外作為殺菌手段時，如果希望紫外線能夠穿透食品，則需要將液層厚度控制在極薄的水平，這樣才能保證較好的殺菌效果。顯然目前用于水消毒的紫外線設備不適用于蘋果汁等液態食品的消毒。有2種設計方法實現紫外很好的穿透液態食品：①使液態食品形成極薄的液態薄膜，以增加紫外光透過率[10]；②增加接近光源的流體表面更新速度，如使液態食品以湍流狀態通過光源，可以將液態食品在螺旋管中以一定速度流動從而形成Dean旋渦，紫外燈放置在螺旋管外側，以增加紫外的輻射強度及輻射均勻性[11]。單純采用設計方法①或者②，在實際應用過程中都會遇到很多技術問題。如采用設計方法①將牛奶形成極薄的薄膜，從表1可知透射率90%的牛奶液層厚度僅為0.003 cm，不僅會極大的限制牛奶紫外線殺菌設備的生產能力，而且對設備制造精度提出了很高的要求，設備生產成本較高。在紫外殺菌設備開發過程中，需要將上述兩種設計方法結合，從而降低對液層厚度的要求，降低設備制造成本，提高設備的生產能力。

表1 253.7 nm紫外線在水、飲料及液體食品中的吸收系數及透射率

2.2 用于乳制品滅菌的紫外殺菌設備

基于以上2種改善紫外線穿透液態食品的方法，目前已有多款可以應用于乳制品等渾濁液態食品殺菌的紫外殺菌設備（見表2）。

由表2可以看出，綜合對比上述4種紫外殺菌設備，SUREPURE管式紫外殺菌設備及AseptoRay紫外殺菌設備的設計理念綜合了使液態食品形成極薄的液態薄膜和增加接近光源的流體表面更新速度兩種設計方法，有效的提高了紫外線在牛奶中的穿透性，對牛奶中微生物有很好的殺滅效果，是牛奶等渾濁液態食品紫外殺菌設備發展的主流方向。目前國內開展牛奶紫外殺菌設備設計和生產的廠家很少，SUREPURE管式紫外殺菌設備及AseptoRay紫外殺菌設備的設計思路為開展國產化牛奶紫外殺菌設備的研發提供了參考。

表2 用于渾濁液體食品殺菌的紫外殺菌設備

2.3 紫外線殺菌技術用于乳制品殺菌的法規依據

2016年7月21日，歐盟發布(EU)2016/1189委員會實施決議，批準200～310 nm紫外線（能量1045 J/L）處理巴氏殺菌牛奶作為新資源食品。除歐盟外，其他國家和地區并沒有針對紫外線處理牛奶生產相關產品出臺相關的法規和標準，這限制了紫外殺菌技術在乳制品生產中的開發應用，所以應該加強紫外殺菌牛奶的基礎研究，完善相關安全評估數據，推動紫外殺菌牛奶法規的建立。

2.4 紫外殺菌技術對乳制品中微生物的殺滅效果

紫外線可以殺滅各種微生物，包括細菌繁殖體、細菌芽胞、結核桿菌、病毒、真菌、立克次體等。目前，紫外線對牛奶體系中不同微生物的殺滅效果的研究報道[18-24]很多，具體如表3所示。

由表3可以看出：（1）在同一研究體系中，不同微生物在相同紫外劑量下對數值（log）降低數是不同的，主要原因可能有以下兩方面：①不同微生物對于紫外線的敏感性不同；②微生物的生長狀態不同耐受紫外線的程度也不同。（2）不同研究中，紫外線對同種微生物的殺滅效果不同，主要原因可能有以下兩方面：①不同研究中采用的紫外設備不同，牛奶接受的有效紫外紫外有差異；②不同研究中采用的研究體系不同，而研究體系中不同的組分會對微生物起到保護作用。所以在研究紫外線對牛奶中不同微生物的殺菌效果時，需要從以下3個方面開展研究：①研究牛奶中各種微生物的致死紫外線劑量；②研究不同生長狀態的微生物對紫外線的耐受程度；③研究牛奶中脂肪、蛋白質、乳糖等主要成分對于紫外線殺菌效果的影響。

另外，目前文獻研究[18-24]中，對紫外劑量的表達有不同形式，如J/L，J/cm2，J/m2等。這是由于不同研究者采用的試驗方法不同，如紫外劑量用J/L表達，采用的試驗方法是將一定體積的牛奶流過一定功率紫外線照射的石英管路；紫外劑量用J/cm2或J/m2表達，采用的試驗方法是將牛奶放置于一定面積的平盤中，采用一定功率的紫外燈照射一定時間。J/L的劑量表達方式與實際應用情況更為接近，所以建議在研究中紫外劑量采用J/L的表達方式。

表3 紫外線對牛奶中不同微生物的殺滅效果

大多數國家的法規要求出售的牛奶必須進行熱巴氏處理[27]，所以采用紫外線處理牛奶后直接銷售是不符合法律法規要求的，而巴氏殺菌與紫外線殺菌組合對牛奶進行處理，不僅可以降低巴氏殺菌的強度，更好地保持牛奶的風味，而且可以延長巴氏奶貨架期。Rossitto等[28]研究表明采用紫外線殺菌技術與巴氏殺菌技術聯合處理牛奶，可以延長保質期。雖然巴氏殺菌與紫外殺菌組合可以延長巴氏奶貨架期，但仍需要從生產成本的角度去分析該組合工藝是否合適。紫外殺菌技術在降低牛奶中微生物數量的同時，會對牛奶的風味及口感產生影響，所以在建立牛奶紫外殺菌工藝時，需要在殺菌效果及風味口感之間平衡。

2.5 紫外殺菌技術對乳制品成分的影響

2.5.1 對乳制品中脂肪的影響

乳制品受紫外線照射后會產生異味，這些異味的產生是吸收了紫外產生的臭氧和氮氧化合物而使乳中的脂肪發生了光化學反應。雖然到目前為止還沒有證據表明這些產物對人體有害，但給風味帶來的影響是其成為該技術在乳制品中應用的一大障礙。有研究認為[29]，這種光化學反應可通過濾去較短波長的紫外光或照射前在產品上覆蓋一層惰性氣體來防止，但這需要從紫外殺菌設備設計的角度加以解決。Bandla等[26]通過檢測丙二醛和羥基氧化產物（MORS）發現，原奶經過紫外照射后MORS的濃度由41.0 nmol/mL提高至75.5 nmol/mL，這是由于牛奶脂肪和磷脂中不飽和脂肪酸光氧化造成的。

Frans等[30]檢測了原奶、巴氏奶、UV奶及UV+巴氏奶中游離脂肪酸的含量，分別為0.291%，0.313%，0.365%，0.511%。UV+巴氏奶中游離脂肪酸含量較高可能是較大程度地破壞了脂肪球膜，加速了脂肪酸敗分解。

紫外線引起脂肪氧化而造成牛奶風味變差是應用紫外殺菌技術對牛奶殺菌的較大障礙。除了從紫外殺菌設備設計的角度加以解決外，還可以從殺菌工藝上加以解決。一方面可以采用低劑量的紫外線進行多次牛奶殺菌，如采用多個30 W的紫外燈串聯使得殺菌劑量達到一定數值，而不是采用一個1 000 W的紫外燈一次殺菌使紫外劑量達到一定數值。另一方面可以考慮在紫外殺菌前，將牛奶中脂肪脫除，將脫脂奶采用紫外殺菌，而脂肪采用熱殺菌技術進行處理，而后再混合，以消除紫外線對脂肪的氧化。

2.5.2 對乳制品中蛋白質的影響

在食品生產過程中，蛋白質的氧化程度可以造成羧基含量增加、總巰基含量降低[31]。Hu等[24]研究發現原奶經過紫外照射后，羧基化合物含量由2.74 nmol增加到4.43 nmol（每mg蛋白質中）。紫外照射會造成牛奶蛋白一級結構的改變。Tammineedi等[32]研究表明α-酪蛋白經紫外照射 5，10，15 min后進行SDS-PAGE；結果顯示照射前電泳條帶集中在35 ku，隨著照射時間的延長，35 ku處條帶逐漸減少；乳清蛋白經紫外照射5，10，15 min后進行SDS-PAGE；結果顯示隨著照射時間的延長牛血清白蛋白、乳鐵蛋白及免疫球蛋白含量逐漸減少，在照射15 min后這3種蛋白條帶完全消失。

紫外線對酶的影響通過2種途徑實現：①蛋白質或結合生色團吸收紫外線導致光氧化，從而電離產生激發態或自由基；②蛋白質結合或其他生色團分子氧化過程中發生能量轉移，從而產生單分子氧，這樣單分子氧造成蛋白質氧化[34]。這些過程產生的氧化應激會導致蛋白質三維結構發生變化，從而導致酶的催化活性喪失[35]。但紫外照射并不會造成所有酶的失活。Lukas等[36]研究表明與巴氏殺菌相比，紫外處理可以更好地保持溶菌酶的活性，所以紫外處理后乳中抑菌物質含量高于巴氏處理，存放過程中微生物生長速度較巴氏奶慢。Frans等[30]研究表明紫外線處理會造成牛奶中的某些酶活性降低，如脂肪酶和蛋白酶，但對磷酸酶和過氧化酶活性沒有影響。

目前研究中發現牛奶經紫外處理后有些酶活性降低，有些酶活性不變，可能是由于不同酶對于紫外線的耐受劑量不同，在研究紫外線應用于牛奶殺菌時，除了關注微生物殺滅效果外，還應關注紫外線對不同酶類的滅活效果，因為酶的存在也會引起牛奶的品質變化，如造成牛奶苦味、凝固、沉淀等。

2.5.3 對乳制品中維生素的影響

從文獻[36]中的成果來看，用UV處理的牛奶，VD質量濃度明顯提高，例如照射后10 min，VD含量由原來的1.80 IU/100 mL提高到50.70 IU/100 mL，這是由于紫外線照射能使牛奶中VD原（7-脫氫膽固醇）B環上的雙鏈斷裂，從而轉化成VD 3[37]。O.Guneser等[38]對比了巴氏殺菌（65℃，30 min）及紫外殺菌對牛奶中維生素質量濃度的影響，結果如表4表示。由表4可以看出，隨著紫外劑量的增加，牛奶中VA，VB2，VC和VE的質量濃度逐漸降低。VB2在乳制品光氧化過程中有重要的催化作用，Lee等[39]的研究表明當牛奶暴露于熒光燈時，VB2的濃度變化與牛奶異味的產生有直接關系。

表4 不同處理方法對牛奶中維生素質量濃度的影響 mg/L

Frans等[30]對比了巴氏殺菌（73.5℃、15 s）、紫外線殺菌（26.12 J/L）、紫外線+巴氏殺菌（26.12 J/L及73.5℃、15 s）處理對全脂牛奶中維生素的影響，結果如表5所示。由表5可以看出，紫外線殺菌處理后牛奶中VB12和VB2質量分數變化不大。Frans等[30]關于紫外線對VB2影響的研究結果與O.Guneser等[41]的結果不一致，主要是Frans等采用的紫外線劑量明顯低于O.Guneser等的。

表5 不同處理方法對牛奶中VB2和VB12質量分數的影響×10-2

3 展望

雖然目前在紫外線對乳制品中不同微生物的殺滅劑量及對乳制品特性影響方面已經有大量文獻報道，但不同研究者使用的紫外殺菌設備、紫外劑量表述等均存在很大差異，結果間沒有可比性。所以有必要建立統一的紫外殺菌設備標準及紫外劑量表述方法，以推動紫外殺菌技術在乳制品殺菌方面的應用，生產出滿足消費者所需的天然、健康的乳制品，這具有廣闊的市場前景。

相比國外研究，國內研究者對紫外殺菌技術在乳制品殺菌方面，還需要進行大量基礎性研究，主要包括：①紫外線對乳制品中不同微生物的殺滅效果的研究；②紫外線對乳制品特性影響的研究；③工業化的乳制品紫外殺菌設備的開發。同時國內對于紫外線應用于乳制品殺菌還缺乏相關法規及標準支持，所以還需要在獲得大量研究數據的基礎上推動國內相關法規及標準的建立，從而實現應用紫外線技術開發乳制品。