超高壓對牛奶影響的研究進展

趙婧茹，王孟輝, ，胡鵬麗，楊晉輝, ，錢文濤,，李洪亮.

1.內蒙古蒙牛乳業（集團）股份有限公司（呼和浩特 011500）；2.蒙牛高科乳制品（北京）有限公司（北京 101100）

隨著全民營養健康理念的進步，消費者更加注重營養健康和免疫的需求，奶制品是膳食營養中的重要組成成分，牛奶含有豐富的優質蛋白質、維生素和鈣元素，利用率很高，是天然鈣質的極好來源?！吨袊用衿胶馍攀硨毸?022）》中進一步提高了對奶制品的攝入量要求，從300 g/d提高至300～500 g/d，保證每天充足的奶制品攝入。目前市場上的牛奶種類，以高溫滅菌乳和巴氏殺菌乳為主，均通過熱處理延長牛奶貨架期，但熱處理過程均會伴隨著牛奶蛋白質、維生素等營養物質的損失?；诖?，食品行業不斷探索和創新乳品的加工工藝和技術。超高壓是其中一種非熱加工的方法，可替代傳統的熱加工方法，在確保食品安全的基礎上，能夠減少產品的營養損失。超高壓在室溫下通過壓力使微生物和酶失活，除此之外，對乳中的成分及其功能特性也會產生影響，下文將分別進行討論。

1 超高壓對牛奶中微生物的滅活作用

原料乳中含有多種不同的微生物。常見的病原體包括單核細胞增生李斯特菌、沙門氏菌、大腸桿菌、志賀氏菌、金黃色葡萄球菌，以及腐敗細菌[1]。

超高壓會破壞微生物的細胞壁、細胞膜，損傷其遺傳物質，從而阻止和降低微生物的修復和生長速率，以此實現微生物滅活的目的[1]。表1列舉了牛奶中研究最多的微生物及其耐壓特性。許多研究表明，在無熱處理的情況下，超高壓處理可使牛奶中最常見的微生物（如大腸桿菌、單核細胞增生李斯特菌、沙門氏菌等）的數量減少5～7個對數周期，但由于孢子形式的存在，超高壓處理可能需要與保溫處理相結合，確保原料乳的安全水平。為了盡可能地降低原料乳中的微生物水平，還需要更多關于超高壓處理對微生物影響的研究和信息，掌握其滅活特性。

表1 超高壓對牛奶中微生物失活的影響

2 超高壓對牛奶成分的影響

2.1 蛋白質

蛋白質由特定的氨基酸序列組成，并通過共價鍵、靜電相互作用、氫鍵、二硫鍵、疏水相互作用等穩定[14]。不同的鍵對超高壓的敏感性不同。較弱的氫鍵、二硫鍵、疏水和靜電相互作用受到較大影響，而共價鍵在加壓后保持完整，在熱處理后收到不同程度破壞[14-15]。蛋白質存在不同的高級結構：一級、二級、三級和四級結構，折疊方式不同，鍵和相互作用的類型也不同。超高壓處理導致的蛋白質變性是通過對不同的鍵和相互作用的破壞，從而引起蛋白質空間結構的改變，進一步影響蛋白質的性質和功能[14]。受超高壓處理影響的主要是蛋白質的二級、三級和四級結構，由共價鍵形成的一級結構幾乎不受影響[14]。

牛奶中蛋白質主要分為兩類即乳清蛋白和酪蛋白，各占蛋白質含量的20%和80%。乳清蛋白親水，呈球狀結構；酪蛋白以膠束形式存在，高度水合[16]。由于其獨特的序列結構，超高壓對其影響不盡相同，下文將分別展開綜述。

2.1.1 酪蛋白膠束

在超高壓處理期間，酪蛋白膠束的大小、組成和水合作用發生結構變化，具體的變化和程度取決于牛奶的處理條件。在100～200 MPa處理條件下，酪蛋白膠束大小幾乎不受影響[17]，250 MPa條件下處理15 min以上會增加膠束大小，這可能是由于超高壓處理導致破碎的酪蛋白膠束形成了更大的聚集體[18]，但在超過300 MPa的處理條件下，膠束尺寸大約減小50%，這可能是由于膠束碎裂成了4個不同的酪蛋白亞膠束[19]，同時與受壓力變性的β-乳球蛋白結合，因此無法再恢復為大膠束[20]。酪蛋白從膠束中解離的順序如下：β-酪蛋白＞κ-酪蛋白＞αs1酪蛋白＞αs2酪蛋白[21]。但對羊乳的研究結果顯示酪蛋白膠束的大小隨著壓力增大而減小[22]。相對壓力條件而言，處理時間和溫度對酪蛋白膠束粒徑大小的影響則相對較小。

除了膠束尺寸大小發生變化外，在超高壓過程中，水被壓縮，導致酪蛋白膠束組分中的疏水鍵被破壞，壓縮的水分子滲透并增加分子水合，導致離子對解離，進一步使得膠束磷酸鈣的釋放[14,23]。同時，這也改變了牛奶的透光性能，在100～200 MPa處理條件下，牛奶的光散射基本不受影響，在200～400 MPa處理條件下，光散射顯著下降，這表明光散射顆粒的數量顯著減少。酪蛋白膠束的變化如圖1所示。經過高壓處理的牛奶經歷了2個重要的變化：第一，由于變性β-乳球蛋白的結合，分子的負電荷增加；第二，膠束破裂成四個不同的酪蛋白分子。這些變化增加了分子的水合作用和礦物質的溶解度[14]。

圖1 超高壓處理下酪蛋白膠束的變化[27]

2.1.2 乳清蛋白

乳清蛋白的序列和空間結構特性導致其在超高壓過程中更容易去折疊或變性。最豐富的兩種乳清蛋白是α-乳白蛋白（α-LA）和β-乳球蛋白（β-LG）。α-乳白蛋白更穩定，它的結構包含4個分子內二硫鍵且無游離巰基，因此更耐受超高壓處理，在超過400 MPa條件下，α-LA開始變性，在800 MPa條件下處理30分鐘后變性率約為70%[18]，而β-乳球蛋白由于其結構包含兩個分子內二硫鍵和一個游離巰基更易受到超高壓處理的影響[23-24]，在較低壓力條件（低于100 MPa）下，β-乳球蛋白沒有變性，而在300 MPa處理條件下，β-乳球蛋白發生顯著變性，在600 MPa處理條件下完全解體[25]。β-LG對壓力的敏感性可用變性模型解釋。這個過程從壓力引起的可逆展開開始，介質中的水分子穿透疏水區域，使分子水合，隨后蛋白質的構象發生變化，類似于熔融的小球，最后變性形成聚集體[23]，如圖2所示。有研究表明400 MPa處理條件下還增強了β-乳球蛋白的胃蛋白酶水解速率，降低了β-乳球蛋白的抗原性和免疫球蛋白E的結合，這也為進一步獲得β-乳球蛋白低致敏性的水解產物提供了可能性[26]。

圖2 超高壓處理下β-乳球蛋白的變化[27]

免疫球蛋白（IGs）和牛血清白蛋白（BSA）是牛奶中濃度較低的乳清蛋白。免疫球蛋白對超高壓相對敏感；牛血清白蛋白更耐受壓力，因為它的結構有17個脫硫鍵和大量的α-螺旋[22,27]。表2總結了不同壓力強度對乳清蛋白變性的影響，對超高壓最敏感的乳清蛋白是β-乳球蛋白，其次是免疫球蛋白、牛血清白蛋白和α-乳白蛋白。

表2 不同壓力強度對乳清蛋白的影響[14,23,28-29]

一項比較熱處理（巴氏殺菌）和超高壓對全脂牛奶影響的研究表明，乳鐵蛋白、血清白蛋白、免疫球蛋白和4種不同類型的酪蛋白在超高壓和熱處理中無顯著性差異，而α-乳白蛋白和β-乳球蛋白變性程度顯著降低[2]。

2.1.3 酶

高壓處理對酶有雙重作用，根據壓力強度、酶的類型和溫度，酶可以被激活或抑制。低于350 MPa的壓力可能會增加酶的活性，因為酶和底物蛋白質的部分去折疊具有構象靈活性，這促進了它們之間的相互作用[23]。高于400 MPa的壓力酶會開始失活，壓力越高，失活程度越高。但失活程度不僅受壓力水平的影響，還受處理時間、酶類型、牛奶成分和pH的影響[23,30-31]。

堿性磷酸酶可承受高達400 MPa的壓力處理。然而，在500 MPa下90 min或600 MPa下10 min可以達到50%的失活水平，在800 MPa下8 min完全失活[29,32]，因此堿性磷酸酶不適合作為評價超高壓處理有效性的指標。另外一些內源酶——γ-谷氨酰轉移酶（GGT）、磷酸己糖異構酶（PHI）和乳過氧化物酶被發現能夠耐受高達400 MPa的壓力[29-30,33]。然而，Munir等[23]認為γ-谷氨酰轉移酶、磷酸己糖異構酶和堿性磷酸酶分別在350，400和600 MPa壓力下僅部分失活，在550，630和800 MPa壓力水平下完全失活。有研究認為γ-谷氨酰轉移酶是超高壓牛奶中微生物安全的合適標記物，因為該酶和相關微生物之間的失活行為是等價的[34]。在較低壓力下（高達約300 MPa）處理牛奶對纖溶酶活性的影響不大，但在較高壓力下（600 MPa下30 min），纖溶酶失活率約75%[35]。

2.2 脂肪

超高壓對牛奶脂質的影響可以分為脂質成分和脂肪球大小兩方面。對于脂質成分，超高壓幾乎沒有影響。已有研究表明中等或更高的壓力條件（250，450，550，700，800和900 MPa，每次5 min）不會顯著改變牛奶中甘油三酯的含量。甘油二酯、單甘酯和游離脂肪酸的濃度在統計學上也無顯著性差異[36]。超高壓處理也不會對極性脂質的含量和分布產生顯著變化，包括磷脂[36]。一項研究表明，在4，25和50 ℃下以100～500 MPa處理羊乳后，乳中的游離脂肪酸含量沒有顯著增加，這對于避免乳中脂肪酸分解酸敗而產生的異味具有重要意義[37]。人乳中的一些特定脂肪酸在650 MPa下處理30 min后也未見顯著性變化[38]。

壓力會輕微影響脂肪球的大小。相比之下，溫度對脂肪球大小的影響更大。在高于25 ℃的溫度下加工牛奶會產生較小的脂肪球，而在溫度較低的條件下，在100～ 250 MPa的壓力下進行處理可能會促進乳脂肪球的冷凝集，這可能會導致在冷藏過程中形成脂肪球簇，從而加快乳脂的形成[24,28,39]。最近的一項研究[40]在20 ℃下分別以200，300，400和500 MPa的壓力處理羊乳10分鐘，并與4 ℃下儲存14 d的生羊乳進行對比。結果表明，剛處理后各組樣品的脂肪球粒徑無顯著性差異，而儲存14 d后，生羊乳、200 MPa和300 MPa樣品脂肪球粒徑顯著增大，400 MPa和500 MPa樣品的脂肪球粒徑與剛處理后的結果一致。

2.3 碳水化合物

牛奶中的碳水化合物主要是乳糖，約占4%～5%。乳糖在熱加工處理后會發生異構化，形成乳果糖。而對牛奶進行超高壓處理后，乳糖的變化很小[24,32]。一項研究表明，牛奶在25 ℃下，100～400 MPa的范圍內處理10～60 min后，牛奶中沒有發生美拉德反應，也沒有發生乳糖異構化[32]。

2.4 礦物質

超高壓對礦物質的影響主要是通過對酪蛋白膠束的影響而導致牛奶中礦物質分布的改變。超高壓對酪蛋白膠束的破壞進一步導致了膠體磷酸鈣的溶解，增加了乳清中離子鈣的濃度[23,41]。200～500 MPa處理羊乳可增加膠體磷酸鈣的溶解度[42]。同時，酪蛋白膠束中的磷和鎂也隨著膠束分解而溶解到乳清相中。鉀和鈉天然存在于乳清相中，因此超高壓對其影響較小[43]。

3 超高壓對牛奶理化性質的影響

3.1 pH影響

pH變化的程度取決于壓力、溫度、微生物水平和牛奶組分[18,29,44-45]。超高壓的處理引起膠束磷酸鈣釋放，進一步導致游離鈣含量上升，改變了乳中的礦物質平衡，導致pH升高[29,31]。一項研究表明[29]，較低的溫度處理條件下pH的變化程度更大。此外，不同程度的超高壓處理導致微生物的滅活程度不同，可能會引起pH發生相應的變化。牛奶組分中的酪蛋白膠束具有緩沖能力，因此膠束的濃度變化會影響酸度，從而改變乳中的pH[45]。脂肪的存在可以作為酪蛋白膠束的保護屏障，減少其解離，從而減緩超高壓引起的牛奶pH變化[44-45]。

3.2 顏色和濁度

牛奶中顏色和濁度的變化是由于超高壓對乳脂球和酪蛋白膠束的影響所導致的[4,14,43-45]。乳脂球的大小和濃度受超高壓影響，進一步改變了牛奶的顏色和濁度[4,44-45]?？傮w而言，脫脂牛奶與全脂牛奶相比，透明度降低，亮度或L*值更小。100～200 MPa的處理條件對牛奶的光散射幾乎沒有影響，但200～400 MPa處理后牛奶的濁度顯著下降。脫脂牛奶置于超過300～400 MPa的壓力下，濁度降低[44]，但全脂牛奶由于脂肪的存在，濁度變化不及脫脂牛奶顯著，研究人員認為可能是脂肪對牛奶顏色起到了保護作用，脫脂奶更易受到高壓引起的顏色變化的影響[14,43,46]。

超高壓處理會導致水分子進入酪蛋白膠束，使其水合，釋放磷酸鈣，破壞酪蛋白膠束，從而降低分子大小。隨著散射光能力的降低，超高壓引起的酪蛋白膠束變化也進一步影響了牛奶的顏色和濁度[45]。

3.3 黏度

傳統熱處理牛奶的黏度與生乳無顯著性差異。但超高壓處理后，牛奶黏度顯著增加[47]，增加的程度取決于處理強度和牛奶的組分。牛奶黏度增加的主要原因是超高壓引起的酪蛋白膠束變性產生更小的顆粒以及增加的膠束水合作用[48]。

3.4 感官特性

與巴氏殺菌乳相比，超高壓處理牛奶在感官特性的幾方面得到了更優的評價，香氣無顯著差異。然而，在色澤、味道和回味度上，超高壓牛奶評分更高[49]。一項研究表明，Galazka等[49]進行了感官分析，比較了在室溫下400 MPa下處理15 min的牛奶樣品、在78 ℃下高溫滅菌15～20 s的牛奶以及未經處理的牛奶，品評人員由未經培訓和經過培訓的專家組成員組成。未經培訓的小組成員認為，超高壓處理牛奶樣品的色澤、味道和回味度在統計學上優于巴氏殺菌的樣品，而香氣在兩個樣品之間無顯著性差異。另一方面，經過培訓的專家組成員認為未經處理的樣品是最好的，超高壓處理的牛奶在味道和回味度方面在統計學上相似，而超高壓和巴氏殺菌樣品的色澤結果相似，三個樣品的香氣在統計學上相似。據此作者得出結論，超高壓處理的樣品在顏色、味道和回味方面存在顯著差異，而在香氣方面沒有顯著差異。

這與Liu等[2]的研究結果一致，他們評估并比較了巴氏殺菌和超高壓處理的牛奶在儲存8 d后的感官可接受度；超高壓處理的樣品具有顯著較低的甜味、蒸煮味和奶油風味、強度和白色?？傮w來說，人們普遍認為超高壓處理的牛奶與巴氏殺菌的牛奶具有相似或更好的感官特性。

4 結語

近年來，消費者對食品新鮮品質的需求不斷增長，不僅關心食品的安全性、保質期等信息，還關注產品所采用的工藝對食品營養的影響。這一需求導致了乳制品領域中對巴氏殺菌潛在代替的非熱殺菌方式進行了深入研究。因此超高壓技術作為非熱技術在乳制品行業中得到了廣泛研究，很多研究人員認為其作為巴氏殺菌替代技術具有很大的潛力。除了考慮微生物水平以保證食品安全水平之外，超高壓對牛乳的物理化學和功能特性的影響也值得關注，其改變的程度和具體機制仍需要繼續探索，近期的研究也更加深入地就超高壓對乳蛋白的化學修飾進行了討論分析，另外超高壓對乳脂球的影響、對酶的變性及乳液穩定性的影響也值得深入討論，對于全面評價超高壓在乳制品領域內的應用具有重要意義。