超高压对牛奶影响的研究进展

赵婧茹，王孟辉, ，胡鹏丽，杨晋辉, ，钱文涛,，李洪亮.

1.内蒙古蒙牛乳业（集团）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）

随着全民营养健康理念的进步，消费者更加注重营养健康和免疫的需求，奶制品是膳食营养中的重要组成成分，牛奶含有丰富的优质蛋白质、维生素和钙元素，利用率很高，是天然钙质的极好来源。《中国居民平衡膳食宝塔（2022）》中进一步提高了对奶制品的摄入量要求，从300 g/d提高至300～500 g/d，保证每天充足的奶制品摄入。目前市场上的牛奶种类，以高温灭菌乳和巴氏杀菌乳为主，均通过热处理延长牛奶货架期，但热处理过程均会伴随着牛奶蛋白质、维生素等营养物质的损失。基于此，食品行业不断探索和创新乳品的加工工艺和技术。超高压是其中一种非热加工的方法，可替代传统的热加工方法，在确保食品安全的基础上，能够减少产品的营养损失。超高压在室温下通过压力使微生物和酶失活，除此之外，对乳中的成分及其功能特性也会产生影响，下文将分别进行讨论。

1 超高压对牛奶中微生物的灭活作用

原料乳中含有多种不同的微生物。常见的病原体包括单核细胞增生李斯特菌、沙门氏菌、大肠杆菌、志贺氏菌、金黄色葡萄球菌，以及腐败细菌[1]。

超高压会破坏微生物的细胞壁、细胞膜，损伤其遗传物质，从而阻止和降低微生物的修复和生长速率，以此实现微生物灭活的目的[1]。表1列举了牛奶中研究最多的微生物及其耐压特性。许多研究表明，在无热处理的情况下，超高压处理可使牛奶中最常见的微生物（如大肠杆菌、单核细胞增生李斯特菌、沙门氏菌等）的数量减少5～7个对数周期，但由于孢子形式的存在，超高压处理可能需要与保温处理相结合，确保原料乳的安全水平。为了尽可能地降低原料乳中的微生物水平，还需要更多关于超高压处理对微生物影响的研究和信息，掌握其灭活特性。

表1 超高压对牛奶中微生物失活的影响

2 超高压对牛奶成分的影响

2.1 蛋白质

蛋白质由特定的氨基酸序列组成，并通过共价键、静电相互作用、氢键、二硫键、疏水相互作用等稳定[14]。不同的键对超高压的敏感性不同。较弱的氢键、二硫键、疏水和静电相互作用受到较大影响，而共价键在加压后保持完整，在热处理后收到不同程度破坏[14-15]。蛋白质存在不同的高级结构：一级、二级、三级和四级结构，折叠方式不同，键和相互作用的类型也不同。超高压处理导致的蛋白质变性是通过对不同的键和相互作用的破坏，从而引起蛋白质空间结构的改变，进一步影响蛋白质的性质和功能[14]。受超高压处理影响的主要是蛋白质的二级、三级和四级结构，由共价键形成的一级结构几乎不受影响[14]。

牛奶中蛋白质主要分为两类即乳清蛋白和酪蛋白，各占蛋白质含量的20%和80%。乳清蛋白亲水，呈球状结构；酪蛋白以胶束形式存在，高度水合[16]。由于其独特的序列结构，超高压对其影响不尽相同，下文将分别展开综述。

2.1.1 酪蛋白胶束

在超高压处理期间，酪蛋白胶束的大小、组成和水合作用发生结构变化，具体的变化和程度取决于牛奶的处理条件。在100～200 MPa处理条件下，酪蛋白胶束大小几乎不受影响[17]，250 MPa条件下处理15 min以上会增加胶束大小，这可能是由于超高压处理导致破碎的酪蛋白胶束形成了更大的聚集体[18]，但在超过300 MPa的处理条件下，胶束尺寸大约减小50%，这可能是由于胶束碎裂成了4个不同的酪蛋白亚胶束[19]，同时与受压力变性的β-乳球蛋白结合，因此无法再恢复为大胶束[20]。酪蛋白从胶束中解离的顺序如下：β-酪蛋白＞κ-酪蛋白＞αs1酪蛋白＞αs2酪蛋白[21]。但对羊乳的研究结果显示酪蛋白胶束的大小随着压力增大而减小[22]。相对压力条件而言，处理时间和温度对酪蛋白胶束粒径大小的影响则相对较小。

除了胶束尺寸大小发生变化外，在超高压过程中，水被压缩，导致酪蛋白胶束组分中的疏水键被破坏，压缩的水分子渗透并增加分子水合，导致离子对解离，进一步使得胶束磷酸钙的释放[14,23]。同时，这也改变了牛奶的透光性能，在100～200 MPa处理条件下，牛奶的光散射基本不受影响，在200～400 MPa处理条件下，光散射显著下降，这表明光散射颗粒的数量显著减少。酪蛋白胶束的变化如图1所示。经过高压处理的牛奶经历了2个重要的变化：第一，由于变性β-乳球蛋白的结合，分子的负电荷增加；第二，胶束破裂成四个不同的酪蛋白分子。这些变化增加了分子的水合作用和矿物质的溶解度[14]。

图1 超高压处理下酪蛋白胶束的变化[27]

2.1.2 乳清蛋白

乳清蛋白的序列和空间结构特性导致其在超高压过程中更容易去折叠或变性。最丰富的两种乳清蛋白是α-乳白蛋白（α-LA）和β-乳球蛋白（β-LG）。α-乳白蛋白更稳定，它的结构包含4个分子内二硫键且无游离巯基，因此更耐受超高压处理，在超过400 MPa条件下，α-LA开始变性，在800 MPa条件下处理30分钟后变性率约为70%[18]，而β-乳球蛋白由于其结构包含两个分子内二硫键和一个游离巯基更易受到超高压处理的影响[23-24]，在较低压力条件（低于100 MPa）下，β-乳球蛋白没有变性，而在300 MPa处理条件下，β-乳球蛋白发生显著变性，在600 MPa处理条件下完全解体[25]。β-LG对压力的敏感性可用变性模型解释。这个过程从压力引起的可逆展开开始，介质中的水分子穿透疏水区域，使分子水合，随后蛋白质的构象发生变化，类似于熔融的小球，最后变性形成聚集体[23]，如图2所示。有研究表明400 MPa处理条件下还增强了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的结合，这也为进一步获得β-乳球蛋白低致敏性的水解产物提供了可能性[26]。

图2 超高压处理下β-乳球蛋白的变化[27]

免疫球蛋白（IGs）和牛血清白蛋白（BSA）是牛奶中浓度较低的乳清蛋白。免疫球蛋白对超高压相对敏感；牛血清白蛋白更耐受压力，因为它的结构有17个脱硫键和大量的α-螺旋[22,27]。表2总结了不同压力强度对乳清蛋白变性的影响，对超高压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 不同压力强度对乳清蛋白的影响[14,23,28-29]

一项比较热处理（巴氏杀菌）和超高压对全脂牛奶影响的研究表明，乳铁蛋白、血清白蛋白、免疫球蛋白和4种不同类型的酪蛋白在超高压和热处理中无显著性差异，而α-乳白蛋白和β-乳球蛋白变性程度显著降低[2]。

2.1.3 酶

高压处理对酶有双重作用，根据压力强度、酶的类型和温度，酶可以被激活或抑制。低于350 MPa的压力可能会增加酶的活性，因为酶和底物蛋白质的部分去折叠具有构象灵活性，这促进了它们之间的相互作用[23]。高于400 MPa的压力酶会开始失活，压力越高，失活程度越高。但失活程度不仅受压力水平的影响，还受处理时间、酶类型、牛奶成分和pH的影响[23,30-31]。

碱性磷酸酶可承受高达400 MPa的压力处理。然而，在500 MPa下90 min或600 MPa下10 min可以达到50%的失活水平，在800 MPa下8 min完全失活[29,32]，因此碱性磷酸酶不适合作为评价超高压处理有效性的指标。另外一些内源酶——γ-谷氨酰转移酶（GGT）、磷酸己糖异构酶（PHI）和乳过氧化物酶被发现能够耐受高达400 MPa的压力[29-30,33]。然而，Munir等[23]认为γ-谷氨酰转移酶、磷酸己糖异构酶和碱性磷酸酶分别在350，400和600 MPa压力下仅部分失活，在550，630和800 MPa压力水平下完全失活。有研究认为γ-谷氨酰转移酶是超高压牛奶中微生物安全的合适标记物，因为该酶和相关微生物之间的失活行为是等价的[34]。在较低压力下（高达约300 MPa）处理牛奶对纤溶酶活性的影响不大，但在较高压力下（600 MPa下30 min），纤溶酶失活率约75%[35]。

2.2 脂肪

超高压对牛奶脂质的影响可以分为脂质成分和脂肪球大小两方面。对于脂质成分，超高压几乎没有影响。已有研究表明中等或更高的压力条件（250，450，550，700，800和900 MPa，每次5 min）不会显著改变牛奶中甘油三酯的含量。甘油二酯、单甘酯和游离脂肪酸的浓度在统计学上也无显著性差异[36]。超高压处理也不会对极性脂质的含量和分布产生显著变化，包括磷脂[36]。一项研究表明，在4，25和50 ℃下以100～500 MPa处理羊乳后，乳中的游离脂肪酸含量没有显著增加，这对于避免乳中脂肪酸分解酸败而产生的异味具有重要意义[37]。人乳中的一些特定脂肪酸在650 MPa下处理30 min后也未见显著性变化[38]。

压力会轻微影响脂肪球的大小。相比之下，温度对脂肪球大小的影响更大。在高于25 ℃的温度下加工牛奶会产生较小的脂肪球，而在温度较低的条件下，在100～ 250 MPa的压力下进行处理可能会促进乳脂肪球的冷凝集，这可能会导致在冷藏过程中形成脂肪球簇，从而加快乳脂的形成[24,28,39]。最近的一项研究[40]在20 ℃下分别以200，300，400和500 MPa的压力处理羊乳10分钟，并与4 ℃下储存14 d的生羊乳进行对比。结果表明，刚处理后各组样品的脂肪球粒径无显著性差异，而储存14 d后，生羊乳、200 MPa和300 MPa样品脂肪球粒径显著增大，400 MPa和500 MPa样品的脂肪球粒径与刚处理后的结果一致。

2.3 碳水化合物

牛奶中的碳水化合物主要是乳糖，约占4%～5%。乳糖在热加工处理后会发生异构化，形成乳果糖。而对牛奶进行超高压处理后，乳糖的变化很小[24,32]。一项研究表明，牛奶在25 ℃下，100～400 MPa的范围内处理10～60 min后，牛奶中没有发生美拉德反应，也没有发生乳糖异构化[32]。

2.4 矿物质

超高压对矿物质的影响主要是通过对酪蛋白胶束的影响而导致牛奶中矿物质分布的改变。超高压对酪蛋白胶束的破坏进一步导致了胶体磷酸钙的溶解，增加了乳清中离子钙的浓度[23,41]。200～500 MPa处理羊乳可增加胶体磷酸钙的溶解度[42]。同时，酪蛋白胶束中的磷和镁也随着胶束分解而溶解到乳清相中。钾和钠天然存在于乳清相中，因此超高压对其影响较小[43]。

3 超高压对牛奶理化性质的影响

3.1 pH影响

pH变化的程度取决于压力、温度、微生物水平和牛奶组分[18,29,44-45]。超高压的处理引起胶束磷酸钙释放，进一步导致游离钙含量上升，改变了乳中的矿物质平衡，导致pH升高[29,31]。一项研究表明[29]，较低的温度处理条件下pH的变化程度更大。此外，不同程度的超高压处理导致微生物的灭活程度不同，可能会引起pH发生相应的变化。牛奶组分中的酪蛋白胶束具有缓冲能力，因此胶束的浓度变化会影响酸度，从而改变乳中的pH[45]。脂肪的存在可以作为酪蛋白胶束的保护屏障，减少其解离，从而减缓超高压引起的牛奶pH变化[44-45]。

3.2 颜色和浊度

牛奶中颜色和浊度的变化是由于超高压对乳脂球和酪蛋白胶束的影响所导致的[4,14,43-45]。乳脂球的大小和浓度受超高压影响，进一步改变了牛奶的颜色和浊度[4,44-45]。总体而言，脱脂牛奶与全脂牛奶相比，透明度降低，亮度或L*值更小。100～200 MPa的处理条件对牛奶的光散射几乎没有影响，但200～400 MPa处理后牛奶的浊度显著下降。脱脂牛奶置于超过300～400 MPa的压力下，浊度降低[44]，但全脂牛奶由于脂肪的存在，浊度变化不及脱脂牛奶显著，研究人员认为可能是脂肪对牛奶颜色起到了保护作用，脱脂奶更易受到高压引起的颜色变化的影响[14,43,46]。

超高压处理会导致水分子进入酪蛋白胶束，使其水合，释放磷酸钙，破坏酪蛋白胶束，从而降低分子大小。随着散射光能力的降低，超高压引起的酪蛋白胶束变化也进一步影响了牛奶的颜色和浊度[45]。

3.3 黏度

传统热处理牛奶的黏度与生乳无显著性差异。但超高压处理后，牛奶黏度显著增加[47]，增加的程度取决于处理强度和牛奶的组分。牛奶黏度增加的主要原因是超高压引起的酪蛋白胶束变性产生更小的颗粒以及增加的胶束水合作用[48]。

3.4 感官特性

与巴氏杀菌乳相比，超高压处理牛奶在感官特性的几方面得到了更优的评价，香气无显著差异。然而，在色泽、味道和回味度上，超高压牛奶评分更高[49]。一项研究表明，Galazka等[49]进行了感官分析，比较了在室温下400 MPa下处理15 min的牛奶样品、在78 ℃下高温灭菌15～20 s的牛奶以及未经处理的牛奶，品评人员由未经培训和经过培训的专家组成员组成。未经培训的小组成员认为，超高压处理牛奶样品的色泽、味道和回味度在统计学上优于巴氏杀菌的样品，而香气在两个样品之间无显著性差异。另一方面，经过培训的专家组成员认为未经处理的样品是最好的，超高压处理的牛奶在味道和回味度方面在统计学上相似，而超高压和巴氏杀菌样品的色泽结果相似，三个样品的香气在统计学上相似。据此作者得出结论，超高压处理的样品在颜色、味道和回味方面存在显著差异，而在香气方面没有显著差异。

这与Liu等[2]的研究结果一致，他们评估并比较了巴氏杀菌和超高压处理的牛奶在储存8 d后的感官可接受度；超高压处理的样品具有显著较低的甜味、蒸煮味和奶油风味、强度和白色。总体来说，人们普遍认为超高压处理的牛奶与巴氏杀菌的牛奶具有相似或更好的感官特性。

4 结语

近年来，消费者对食品新鲜品质的需求不断增长，不仅关心食品的安全性、保质期等信息，还关注产品所采用的工艺对食品营养的影响。这一需求导致了乳制品领域中对巴氏杀菌潜在代替的非热杀菌方式进行了深入研究。因此超高压技术作为非热技术在乳制品行业中得到了广泛研究，很多研究人员认为其作为巴氏杀菌替代技术具有很大的潜力。除了考虑微生物水平以保证食品安全水平之外，超高压对牛乳的物理化学和功能特性的影响也值得关注，其改变的程度和具体机制仍需要继续探索，近期的研究也更加深入地就超高压对乳蛋白的化学修饰进行了讨论分析，另外超高压对乳脂球的影响、对酶的变性及乳液稳定性的影响也值得深入讨论，对于全面评价超高压在乳制品领域内的应用具有重要意义。