巴氏杀菌奶加工技术及质量控制现状

吕加平, 张书文, 刘 鹭, 逄晓阳, 芦 晶

(中国农业科学院农产品加工研究所,北京 100193)



巴氏杀菌奶加工技术及质量控制现状

吕加平, 张书文, 刘 鹭, 逄晓阳, 芦 晶

(中国农业科学院农产品加工研究所,北京 100193)

摘 要:巴氏杀菌奶是国际上公认的由生鲜奶低热加工杀菌的风味新鲜纯正、营养全面的牛奶制品,欧美等发达国家和地区90%以上的液体乳产品为巴氏杀菌奶。我国巴氏杀菌奶近年来发展迅速,年增长率保持25%以上,是今后乳业产品结构调整的重要产品类别,将成为城市乳业的主导产品,成为乳品工业发展新的经济增长点。对适合巴氏杀菌奶加工的原料乳选择、加工主要技术、货架期、巴氏杀菌奶中主要腐败微生物及检测、巴氏杀菌奶的鉴别及使用微滤技术提高巴氏杀菌奶品质和货架期等研究进展进行了综述。

关键词:巴氏杀菌奶;加工技术;品质;货架期

LYU Jiaping,ZHANG Shuwen,LIU Lu,et al.Processing technology and quality control of pasteurized milk[J].Journal of Food Science and Technology,2016,34(1):9-15.

巴氏杀菌奶营养丰富,风味新鲜纯正,是许多乳业发达国家液态奶消费的主导产品,约占90%以上。因其加工过程简单、能耗水耗低、易操作,在加工成本上与超高温瞬时灭菌(ultra-high temperature sterilized,UHT)奶相比有显著优势。然而,因我国奶业地区发展不平衡、冷链条件不完善等原因决定了巴氏鲜奶在液态奶市场占有率不足30%。但近年来现代物流发展迅速,冷链逐渐完善,人们的消费意识更加理性,从追求香浓逐渐回归牛奶的自然属性而更加青睐其风味新鲜和纯正。所以从长远来看,巴氏杀菌奶将是未来我国液态乳的发展方向。

我国在2000年前主要以奶粉消费为主,2000年后液态奶及酸奶逐渐成为主导消费产品,加工技术进步和专业设备的大量进口也快速地改善和提高了技术水平和产品质量。但是,由于我国奶牛分散饲养的技术落后,挤奶靠手工,冷链跟不上,且原料乳生产主要集中于北方地区,而主导消费市场却又在东部和南部的经济发达地区。为此,许多大型企业不得不选择了超高温灭菌工艺生产UHT乳,这一产品对推动牛奶消费,提高人们身体素质发挥了重要作用,使UHT乳占有率达到70%以上。经过十多年的超常规快速发展,目前,奶牛养殖逐步从一家一户向规模化、标准化、集约化方向发展,原料质量得到显著提高,基本实现了机械化挤奶,冷链运输快速发展,个别企业从挤奶到加工仅需2 h便可完成。从加工技术角度来看,许多乳品企业的加工设备已达到国际一流水平,行业的技术水平也接近国际先进水平。从市场需求来看,消费者更加注重产品的新鲜营养和健康安全。综合上述诸多因素,现在已经具备了大规模推广生产巴氏杀菌奶的条件,我国巴氏杀菌奶发展迎来了新的机遇。

近年来,越来越多的乳品企业开始关注巴氏杀菌奶,也不乏有许多成功的生产企业,巴氏杀菌奶的市场份额逐渐增大。为延长巴氏杀菌奶的货架期及保证其新鲜纯正的风味,必须对原料乳的质量有更高的要求。如有些企业因原料乳质量差,使生产的巴氏杀菌奶产品保质期短、风味差,经常在保质期内出现质量问题和消费者投诉；也会有一些企业为了延长货架期而有意提高杀菌温度和时间,却标注了巴氏杀菌奶销售,造成市场上产品鱼龙混杂,损害了消费者利益。鉴于此,本文对生产高品质巴氏杀菌奶的原料乳要求、货架期判定、与UHT奶的甄别、主要质量缺陷及延长其货架期的措施等进行了简要综述,以期对行业人士有所帮助。

1 对原料乳的要求

原料乳的质量直接决定了巴氏杀菌奶的品质和货架期,只有好的原料乳才能生产出优质、货架期长的巴氏杀菌奶产品。众所周知,细菌数和体细胞数是影响原料乳品质的最主要因素。美国巴氏杀菌奶管理条例(pasteurized milk ordinance,PMO)中明确规定,原料乳在离开农场前细菌数要小于1.0×105CFU/mL,不同农场的原料乳在乳品加工企业混合后、巴氏杀菌前细菌数要低于3.0×105CFU/mL。PMO同时也要求生产巴氏杀菌奶的原料乳体细胞数(somatic cell count,SCC)要低于7.5×105个/mL。当然,加工巴氏杀菌奶所用的理想的原料乳是细菌数和体细胞数越低越好[1]。

原料乳中主要污染微生物有革兰氏阴性菌假单胞菌属(Pseudomonas spp.)、气单胞菌属(Aeromonas)、沙雷菌属(Serratia spp.)、无色杆菌属(Achromobacter spp.)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、根瘤菌属(Chromobacterium spp.)及黄杆菌属(Flavobacterium spp.)；革兰氏阳性菌主要有芽孢杆菌属(Bacillus spp.)、梭状芽孢杆菌属(Clostridium spp.)、类芽孢杆菌(Paenibacillus spp.)、链球菌属(Streptococcus spp.)及金黄色葡萄球菌(Staphylococcus spp.)[2-5]。

原料乳中嗜冷菌对巴氏杀菌奶品质及货架期影响较大。嗜冷菌生长是导致原料乳及巴氏杀菌奶在贮藏过程中发生蛋白水解和脂肪水解的最主要因素。原料乳加工前一般经过低温贮藏1 d至数天,虽然低温贮藏可以有效抑制原料乳中嗜温及嗜热菌的生长繁殖,而嗜冷菌却仍可以大量生长繁殖,大多数嗜冷菌虽然其最适温度在30℃左右,但其可以在7℃或7℃以下生长繁殖[6]。即冷藏过程中嗜冷菌将逐渐成为优势菌群,并且在冷藏中不断生长及释放耐热酶。虽然,巴氏杀菌工艺(72℃、15 s)可以将嗜冷菌杀死,但是它们分泌的胞外耐热性蛋白酶和脂肪酶可以耐受巴氏杀菌甚至UHT杀菌条件(137℃、4 s)而残留较高活性,如超高温杀菌后仍会有10%～30%的残留酶活,残留酶活在货架期内缓慢作用于乳蛋白及脂肪而常常引起巴氏杀菌奶及其他乳制品发生陈化凝胶、蛋白水解液化或沉淀、脂肪水解及分层等质量缺陷[7]。

如果原料乳中细菌数低于2.5×104CFU/mL, SCC就变成决定巴氏杀菌奶货架期长短的主要因素。原料乳中SCC对巴氏杀菌奶品质的影响主要体现在原料乳中耐热蛋白酶和脂肪酶随着SCC的增加而出现了升高。体细胞相关的主要蛋白水解酶是纤溶酶(plasmin),主要脂肪酶是脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase)[8-9]。贮藏过程中由纤溶酶引起的劣质风味要早于由脂蛋白脂肪酶引起的酸败味[10]。

根据前期研究结果,高品质原料乳一般具备以下条件:细菌总数标准平板计数(standard plate count,SPC)低于5 000 CFU/mL,嗜冷菌低于1 000 CFU/mL,大肠杆菌(coliforms)低于25 CFU/mL,SCC低于2.0×105个/mL,游离脂肪酸值(free fatty acid, FFA)低于1.0 mmol/100 g脂肪[11]。

2 加工工艺

巴氏杀菌奶的加工工艺相对比较简单,主要包括原料乳收集和贮运、净化、乳脂分离、标准化、均质、巴氏杀菌、冷却、灌装几个步骤。国际上的巴氏杀菌奶主要品种有脱脂巴氏杀菌奶、1%脂肪含量、2%脂肪含量及全脂巴氏杀菌奶。不同脂肪含量配比主要在标准化步骤完成。由于维生素A和维生素D是脂溶性维生素,存在于脂肪部分。所以,脱脂及减脂巴氏杀菌奶需要添加维生素A及维生素D以保证维生素平衡。

美国FDA规定72℃、15 s为法定的最低巴氏杀菌处理条件,见表1[1]。然而,有些加工企业为了延长产品货架期,使用的巴氏杀菌温度和时间超过了FDA要求的最低要求[12]。一项调查结果表明,纽约州的3个液态奶加工企业使用79℃、18 s,79.4℃、22 s和79.4℃、28 s的处理条件[13]。过度加热杀菌即不是巴氏杀菌乳,也显著降低了产品的新鲜风味和营养品质。我国国家标准对巴氏杀菌的定义是:经低温长时间(62～65℃,保持30 min,LTLT)或经高温短时间(72～76℃,保持15 s；或80～85℃,保持10～15 s,HTST)的热处理方式,巴氏杀菌通常以生牛乳为原料,处理后得到的液态产品,这种热处理方法能使细菌总数减少90%～95%,延长牛奶的货架期。

表1　美国FDA特别规定的巴氏杀菌温度和时间组合Tab.1 Temperature-time relationships for pasteurization as specified by FDA

3 巴氏杀菌奶的货架期

货架期的长短不仅和原料乳质量有关,还和产品贮藏温度有关。在原料乳品质相同的情况下,贮藏温度越低,货架期越长。美国PMO对货架期的判定标准是当巴氏杀菌奶在7℃以下的贮藏条件下中细菌数大于2×104CFU/mL时、大肠杆菌数(coliform)大于10 CFU/mL、磷酸酶活性高于350 mU/L时货架期结束。

当前,美国普通巴氏杀菌奶的货架期为14 d左右,许多企业的目标是在冷藏条件下达到21 d,耐热性细菌及嗜冷菌的巴氏杀菌后污染是限制货架期延长的主要原因[14]。目前,我国的巴氏杀菌奶产品货架期只有3～7 d,货架期短和原料乳品质、冷链条件、加工设备及包装材料的清洁度紧密相关。

Elwell等[15]在2006年报道,商品巴氏杀菌奶在6.1℃的条件下可以贮藏16 d,而在0.1℃的条件下可以贮藏66 d。降低贮藏温度主要是增加了细菌生长的迟滞期和延缓了细菌的对数生长期。货架期的延长主要归功于在低温下延缓细菌生长的迟滞期。

使用高于常规的巴氏杀菌条件如78℃、16～30 s,并且结合好的灌装和包装技术,可以有效地增加微生物的灭活率,降低巴氏杀菌后污染水平,使巴氏杀菌奶在冷藏条件下货架期延长至15～25 d[12]。

高体细胞可加速巴氏杀菌奶形成酸败和苦味等感官质量缺陷。低体细胞原料乳中的平均酸度值(ADV=0.27 mmol/100 g脂肪)明显低于高体细胞原料乳中的平均酸度值(ADV=0.43 mmol/100 g脂肪)。在贮藏过程中,高体细胞巴氏杀菌奶的平均酸度值增加明显高于低体细胞巴氏杀菌奶。乳蛋白水解会形成一些小分子的水解肽,引起苦味和涩味。Ma等[10]报道,脂肪含量为2%的低体细胞(4.5× 104个/mL)巴氏杀菌奶在5℃贮藏21 d后,整体风味几乎没有改变,而脂肪含量为2%的高体细胞(8.49×105个/mL)巴氏杀菌奶在5℃贮藏到14～21 d期间,风味明显下降。贮藏过程中,高体细胞奶的平均游离脂肪酸增加率及酪蛋白水解率比低体细胞奶快2～3倍。

Santos等[16]研究了巴氏杀菌奶在变质时的理化指标和感官阈值的相关性。结果表明,脱脂巴氏杀菌奶在贮藏过程中当酪蛋白与总蛋白百分比的比值大于4.76%时,感官可以探测到苦味和涩味；2%脂肪含量的巴氏杀菌奶在出现由脂肪水解引起的哈喇味时的酸度值为0.33 mmol/kg牛奶。

嗜冷菌巴氏后污染显著制约着巴氏杀菌奶的货架期。通过洁净包装等手段可有效解决革兰氏阴性嗜冷菌的污染问题。但是,少量耐热革兰氏阳性嗜冷菌如芽孢杆菌和微球菌的残留或后污染将会在货架期内造成产品的腐败[14,17]。因此,如何消除革兰氏阳性嗜冷菌污染是保证巴氏杀菌奶有效货架期的关键。

高品质、低体细胞数及低细菌数的原料乳是生产货架期达30～90 d优质巴氏杀菌奶的关键保证。

4 巴氏杀菌奶中的主要腐败菌及其检测方法

巴氏杀菌奶中的腐败细菌主要有两个来源:一是可以耐受巴氏杀菌的部分革兰氏阳性嗜冷性耐热芽孢杆菌,该菌可以在巴氏杀菌奶冷藏过程中生长繁殖；二是巴氏后污染的革兰氏阴性嗜冷菌及革兰氏阳性嗜冷性耐热芽孢杆菌。

巴氏杀菌奶的品质和货架期主要取决于原料乳的质量和有效的清洁、消毒工艺。通常是由于清洁/消毒不足引起的巴氏后污染微生物在产品冷藏过程中的生长繁殖而引起牛奶变质。

在没有巴氏消毒后污染发生的情况下,限制货架期的最重要因素之一是部分可耐受巴氏杀菌温度而存活的微生物,且在冷藏条件下生长繁殖引起腐败。所以,单从原料乳质量控制来消除这些微生物腐败是不可行的,必须从农场原料乳到加工工厂进行全程质量控制来降低这些微生物存活及生长繁殖腐败。

嗜冷菌是引起巴氏杀菌奶货架期发生腐败的最主要因素。标准的嗜冷菌计数方法是采用7℃条件下培养10 d的SPC方法。引起巴氏杀菌奶腐败的主要嗜冷菌有革兰氏阴性棒状杆菌,主要属于假单胞菌属(Pseudomonas)。该菌属一般不耐受巴氏杀菌温度,所以,巴氏杀菌奶中革兰氏阴性腐败嗜冷菌主要来自巴氏后污染。

这里,耐热性细菌是指能够耐受巴氏杀菌及其他热处理的一类菌的统称。一般来讲,耐热性细菌大多都是革兰氏阳性菌。能形成芽孢(例如芽孢杆菌Bacillus及类芽孢杆菌Paenibacillus)是耐热性细菌的主要特征。大多数耐热性细菌不能在冷藏条件下生长,但有部分耐热性细菌可以在冷藏条件下生长,这些菌称为耐热性嗜冷菌(thermoduric psychrotrophs)。在没有革兰氏阴性菌存在的情况下,耐热性细菌可以在冷藏条件下生长繁殖,引起巴氏杀菌奶的腐败。芽孢杆菌和类芽孢杆菌的菌株,被认为是限制牛奶保质期常见耐热嗜冷菌[14]。这些菌生长缓慢,并且主要在货架期后期引起产品腐败。实验室巴氏计数法(laboratory pasteurization count)通常用来统计原料乳中耐热菌的数量。该方法是将原料乳在62.8℃下加热30 min,然后依照SPC法来完成。耐热性嗜冷菌计数采用将原料乳在62.8℃下加热30 min后,进行涂平板,在7℃培养10 d后计数。如果冷藏后的菌数明显高于实验室巴氏杀菌后的耐热菌,就说明存在耐热性嗜冷菌。耐热性嗜冷菌可以形成芽孢,需要升高杀菌温度灭活。

细菌总数采用SPC法来计数,SPC法主要是对巴氏杀菌奶样品进行32℃、48 h的培养后,计算平板上形成的菌落总数。菌落计数表示为每毫升牛奶的菌落形成单位(CFU)数量。一般情况下,新鲜巴氏杀菌奶中的SPC数低于500 CFU/mL。这些菌有些是耐受巴氏杀菌而存活,还有的是来自巴氏后污染。当新鲜巴氏杀菌奶中SPC超过1 000 CFU/mL,就意味着原料乳或加工设备受到了污染。FDA规定当巴氏杀菌奶中的SPC超过2×104CFU/mL时货架期即结束。我国《食品安全国家标准 巴氏杀菌乳》(GB 19645—2010)为三级采样方案,设有n、c、m和M值,即n为同一批次产品应采集的样品件数；c为最大可允许超出m值的样品数；m为微生物指标可接受水平的限量值,小于5×104CFU/mL；M为微生物指标的最高安全限量值,1×105CFU/mL。显著低于美国的标准。

大肠杆菌数(coliform bacteria count)的标准不超过10 CFU/mL,最好是检测不到。该菌采用革兰氏阴性菌选择性培养基紫红胆盐琼脂(violet red bile agar,VRBA)来计数。平板在32℃培养24 h后计数。大肠杆菌可以作为加工和流通过程中卫生条件的指示菌,因为巴氏杀菌温度可以将该菌杀死,当巴氏杀菌奶中检出该菌时,说明由于卫生条件差而受到了巴氏后污染。我国《食品安全国家标准 巴氏杀菌乳》(GB 19645—2010)为三级采样方案国标的大肠菌群值为:n5c2m1M5,与美国标准接近。从现行国家标准看,两个微生物标准是有偏离的。

5 巴氏杀菌奶的鉴别

国际上通用碱性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)实验法来确认巴氏杀菌效果[18]。ALP是原料乳中超过60种内源性酶中的其中一种。ALP比牛乳中致病菌的耐热温度要高,因此,当巴氏杀菌奶中的ALP活性大大降低之后,就可以断定目标致病菌同样水平的减少,达到了巴氏杀菌的效果。FDA规定巴氏杀菌奶中的碱性磷酸酶活性低于350 mU/L。ALP的常用检测方法主要有分光光度法、荧光法、化学发光法及免疫法。美国PMO推荐使用荧光法和化学发光法来测定ALP活性,欧盟标准(ECS)及国际乳业联合会标准(IDF)推荐使用荧光法来测定ALP活性[19]。

另外,巴氏杀菌奶的盛行必将会造成巴氏杀菌奶和UHT乳竞争的加剧,个别企业可能采用提高杀菌温度或使用UHT乳来冒充巴氏杀菌奶及延长产品的货架期等不正当手段。这种行为会极大地损害消费者的利益。那么,如何快速地识别巴氏杀菌奶和UHT乳,是亟待解决的一个技术问题。

鉴于巴氏杀菌奶和UHT乳在微营养和风味上存在巨大差异,见表2,利用高效液相色谱法(HPLC)定性和定量检测乳中的乳果糖、5-羟甲基糠醛和糠氨酸等含量来区分巴氏杀菌奶和UHT乳,但该种检测方法存在检测时间长、费用高、检测仪器设备价格昂贵等问题。利用同工酶电泳法分析巴氏杀菌奶与超高温灭菌奶,同工酶电泳法的操作也比较麻烦、费时,在奶业的现场监测上存在诸多不便。

表2　不同热处理牛乳中的典型指示物Tab.2 Typical indicators of different heat treated milk products

笔者研究团队2013年发明了采用浊度法区分原料乳、巴氏杀菌奶和UHT乳的一种简便、快捷的定性方法。该方法主要原理是原料乳经不同的热处理温度和时间处理,遇钙螯合盐类后,牛乳中的钙由胶体钙转化为可溶性钙,且对酪蛋白胶粒进行了分散,不同加热程度奶会呈现出不同的浊度,加热程度越高、则浊度越大,见图1。因此,采用浊度法可快速区分原料乳、巴氏杀菌奶和UHT乳,本发明方法在液态乳制品快速检测中具有广阔的应用前景[20]。

图1　螯合盐对原料乳、巴氏杀菌奶及UHT乳的鉴别Fig.1 Identification raw milk,pasteurized milk and UHT milk by chelating salts

6 微滤技术延长巴氏杀菌奶货架期

近年来,微滤技术在乳品工业中得到了极大关注,见图2。使用微滤技术可以有效脱除牛乳中的一般细菌、芽孢及体细胞而保留牛乳中的有效成分[21-23]。

微滤除菌使原料脱脂乳中的细菌数从2 400, 3 600,1 475 CFU/mL降低到0.024,0.198,0.240 CFU/mL；这些微滤后脱脂乳经过巴氏杀菌,其菌数分别降低到0.005,0.008,0.005 CFU/mL。微滤技术可平均降低3.79个数量级,巴氏微滤脱脂可以平均降低1.84个数量级。总算起来,从原料乳经过微滤除菌和巴氏杀菌,可以降低5.6个数量级的细菌[15]。Gaucher等[24]在2011年报道,微滤除菌使脱脂乳中的体细胞数和细菌数分别从6.7×104个/mL 和2.6×103CFU/mL减少到1.2×104个/mL和小于10 CFU/mL。孔凡丕等[25]在2012年报道微滤除菌可以使高体细胞和低细胞脱脂乳中的细菌总数分别从3.50×105CFU/mL和6.60×105CFU/mL减少到97 CFU/mL和176 CFU/mL,降低了3.56和3.57个数量级；高体细胞和低体细胞脱脂乳中的嗜冷菌分别从1.36×103CFU/mL和5.70×102CFU/mL降低到17 CFU/mL和14 CFU/mL；体细胞从1.52× 106个/mL和2.10×105个/mL降低到小于1.00× 103个/mL。

加拿大的Natrel、英国Cravendale及法国Marguerite等品牌已经将微滤技术应用在商业巴氏杀菌奶的生产中。我国北京三元食品股份有限公司和上海光明乳业股份有限公司等也已将微滤技术用于高品质巴氏杀菌奶的加工上。这些经过膜过滤的产品品尝起来更新鲜、更营养及具有更长的货架期。加拿大的Natrel旗下的fine-filtered巴氏杀菌奶产品在冷藏条件下可以达到19～22 d[26]。法国Marguerite品牌旗下的微滤巴氏杀菌奶产品在4～6℃贮藏条件下其货架期可以达到3周,2008年的产量就达到了1×107L。

图2　陶瓷膜组件及错流微滤工艺Fig.2 Ceramic membrane and cross flow filtration

7 展 望

巴氏杀菌奶加工对原料乳选择具有更高要求,只有高品质的原料乳才能生产出优质长货架的巴氏杀菌奶产品。巴氏杀菌奶加工所采用的低温杀菌工艺,在保证牛奶安全饮用的同时,最大限度地保留了牛奶的活性物质和天然营养。巴氏杀菌奶的快速发展,是乳业市场逐渐回归理性的重要体现,必将对我国乳业现有的消费格局造成冲击。另外,巴氏杀菌奶是中国乳业转型的必然之路,必将引领中国乳业的新未来。

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(责任编辑:李 宁)

Processing Technology and Quality Control of Pasteurized Milk

LYU Jiaping, ZHANG Shuwen, LIU Lu, PANG Xiaoyang, LU Jing
(Institute of Food Science and Technology,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100193,China)

Abstract:Pasteurized milk is internationally recognized dairy products with fresh flavor and nutrition.In USA,Europe,and other developed countries,pasteurized milk has more than 90%market share of fluid milk products.In China,pasteurized milk has rapidly developed in recent years and has more than 25% annual growth rate.It would become leading dairy products for city consume and new economic growth point of dairy industry in future.In this paper,we review the requirements of pasteurized milk for raw milk,pasteurization processing technology,shelf life,main spoilage microorganism and detection, identification,and the application of microfiltration technology to improve quality and shelf life.

Key words:pasteurized milk；processing technology；quality；shelf life

作者简介:吕加平,男,研究员,博士生导师,博士,主要从事乳品加工技术方面的研究工作。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(31371808；31301521)；“十二五”国家科技支撑计划项目(2013BAD18B10)；现代农业产业技术体系北京市奶牛产业创新团队项目。

收稿日期:2015-12-08

doi:10.3969/j.issn.2095-6002.2016.01.002

文章编号:2095-6002(2016)01-0009-07

中图分类号:TS252.2

文献标志码:A

引用格式:吕加平,张书文,刘鹭,等.巴氏杀菌奶加工技术及质量控制现状[J].食品科学技术学报,2016,34(1):9-15.