牛乳是自然界最接近完美的食物，含有豐富的人體必需營(yíng)養(yǎng)成分，包括蛋白質(zhì)、能量、維生素、礦物質(zhì)等。隨著檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，一些對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育、腸道健康等有益的微量物質(zhì)受到關(guān)注，如乳鐵蛋白、過(guò)氧化物酶、免疫球蛋白等。同時(shí)，牛乳也是微生物生長(zhǎng)極好的培養(yǎng)基，由于生牛乳中含有大量的耐冷菌、乳酸菌等微生物，若不及時(shí)進(jìn)行殺菌或滅菌處理，細(xì)菌繁殖和酶類反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致牛乳腐敗變質(zhì)，無(wú)法食用。現(xiàn)今，全球?qū)εＨ榈臍⒕驕缇幚硗ǔ榘褪蠚⒕虺邷兀╱ltrahigh temperature,UHT）瞬時(shí)滅菌。隨著消費(fèi)者對(duì)活性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的追求和工業(yè)技術(shù)的迭代進(jìn)步，更多的乳殺菌技術(shù)逐步從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)應(yīng)用。
熱處理的主要目的是破壞病原微生物、減少腐敗微生物和滅活酶。牛乳熱殺菌處理過(guò)程涉及熱穩(wěn)定性、殺菌效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)效應(yīng)。牛乳熱穩(wěn)定是判斷乳蛋白熱穩(wěn)定的重要因素。高溫易導(dǎo)致蛋白質(zhì)二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)變得松散，酪蛋白熱穩(wěn)定性最強(qiáng)，乳清蛋白熱穩(wěn)定性較差，其中免疫球蛋白耐熱能力最差，β-乳球蛋白稍強(qiáng)于免疫球蛋白。變性后的蛋白更易被酶水解，消化效能提高。生乳中的微生物包括乳酸菌、腸細(xì)菌、嗜熱菌、耐冷菌、芽孢菌和致病菌等，不同的熱處理強(qiáng)度能導(dǎo)致某些或全部微生物死亡。化學(xué)反應(yīng)包括酸的產(chǎn)生、磷酸鈣沉淀、美拉德反應(yīng)、酪蛋白修飾及巰基相互反應(yīng)。采用何種熱處理取決于過(guò)程和終產(chǎn)品工藝因素，國(guó)際乳品聯(lián)合會(huì)建議使用的最溫和的熱處理形式為57～68℃加熱5 s，最長(zhǎng)可達(dá)30 min，可以使原料乳在加工前保存更長(zhǎng)時(shí)間，如干酪加工。牛乳低溫處理?xiàng)l件一般為72～80℃巴氏殺菌15～30 min，酸乳處理?xiàng)l件為90～95℃巴氏殺菌3～5 min。UHT處理（135～150℃處理1～10 s）可使牛乳在環(huán)境溫度下貯存，具有較長(zhǎng)的保質(zhì)期。
巴氏殺菌的原理是基于病原體耐熱性差的特性，使用溫和的溫度和適當(dāng)?shù)臅r(shí)間殺滅牛乳中的病原微生物，無(wú)法殺死牛乳中的耐熱芽孢，因此巴氏殺菌牛乳要在4℃左右的溫度下保存。目前巴氏殺菌乳的評(píng)定指標(biāo)和方法多樣，主要依據(jù)蛋白質(zhì)變性、美拉德反應(yīng)和乳糖異構(gòu)化等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定。研究殺菌強(qiáng)度對(duì)牛乳活性蛋白的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著熱處理強(qiáng)度提高，牛乳中糠氨酸含量逐漸增加，乳鐵蛋白和β-乳球蛋白含量減少。牛乳經(jīng)75℃、15 s熱處理后，其活性蛋白有較大程度保留；但是經(jīng)85℃、15 s熱處理后，牛乳中的活性蛋白變性率達(dá)到63.7%～78.5%。光明乳業(yè)75?℃優(yōu)倍鮮牛乳中乳鐵蛋白、免疫球蛋白含量均值分別達(dá)到62、250 mg/L，與85℃鮮牛乳相比（乳鐵蛋白含量27 mg/L、免疫球蛋白含量107 mg/L），營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)大幅提高。
利用高通量測(cè)序技術(shù)研究不同巴氏殺菌條件下乳中優(yōu)勢(shì)菌群變化，結(jié)果表明，變形菌門和厚壁菌門為優(yōu)勢(shì)菌群，假單胞菌占所有屬的42%以上。同時(shí)檢測(cè)巴氏殺菌乳中16種游離氨基酸、9種脂肪酸和17種揮發(fā)性成分的變化。結(jié)果表明，核心功能菌群顯著影響風(fēng)味物質(zhì)及牛乳質(zhì)量安全，假單胞菌、隱桿菌、藍(lán)藻和棒狀桿菌與風(fēng)味物質(zhì)含量呈正相關(guān)，而鏈球菌和擬桿菌與這些物質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)。
ESL巴氏殺菌乳介于巴氏殺菌乳和UHT乳之間，殺菌溫度為115～130℃，時(shí)間控制在1 s或更短的時(shí)間。生產(chǎn)ESL牛乳的主要目的是使所有營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌和嗜冷細(xì)菌的孢子失活，并引起最小的化學(xué)變化。與未經(jīng)熱處理及2?種常用巴氏殺菌（65℃、30 min,72℃、15 s）處理乳相比，ESL乳（121℃、5 s）酪蛋白粒徑明顯增加，破壞酪蛋白膠束結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生大規(guī)模的交聯(lián)和凝聚，但是凝聚作用能夠使酪蛋白膠束呈現(xiàn)出更均一的狀態(tài)，其酪蛋白膠束的變性溫度略高于未經(jīng)熱處理的對(duì)照組，熱穩(wěn)定性最高的為72℃、15 s巴氏殺菌乳，變性溫度達(dá)到99℃。對(duì)比分析巴氏殺菌與ESL巴氏殺菌（121℃、5 s）處理對(duì)牛乳乳清蛋白結(jié)構(gòu)的影響，紅外光譜結(jié)果顯示，巴氏殺菌處理對(duì)乳清蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)影響不顯著，而經(jīng)ESL巴氏殺菌處理后的乳清蛋白中α-螺旋結(jié)構(gòu)含量顯著減少，無(wú)規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量顯著增多，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的更為無(wú)序，穩(wěn)定性更好。熒光光譜結(jié)果表明，ESL巴氏殺菌處理改變了乳清蛋白二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)。差示掃描量熱法分析結(jié)果顯示，ESL巴氏殺菌處理的乳清蛋白熱變性溫度為99.9℃，高于巴氏殺菌處理乳清蛋白，表明ESL巴氏殺菌處理后的乳清蛋白穩(wěn)定性顯著提高。報(bào)道了創(chuàng)新蒸汽注入加熱技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)可以將牛乳加熱到150～180℃，時(shí)間控制在0.1 s內(nèi)。該工藝實(shí)現(xiàn)了非常高的細(xì)菌殺滅率，能夠生產(chǎn)商業(yè)無(wú)菌牛乳，化學(xué)變化最小，僅有20%～25%的β-乳球蛋白變性，7℃貯藏28 d期間未發(fā)生蛋白水解。
ESL巴氏殺菌牛乳不是無(wú)菌包裝，在冷藏溫度下有7～10 d和21 d或更長(zhǎng)的保質(zhì)期。脂肪含量越高，黏度越大，ESL巴氏殺菌牛乳含有更廣泛的風(fēng)味物質(zhì)，且風(fēng)味和揮發(fā)性物質(zhì)含量隨時(shí)間延長(zhǎng)而下降。與高溫短時(shí)巴氏殺菌相比，ESL巴氏殺菌牛乳有顯著的蒸煮味和硫化味及輕微的澀味。使用直接蒸汽注射進(jìn)行ESL巴氏殺菌的脫脂牛乳比間接加熱方式含有較高含量的二甲基硫化物、2-丁酮、3-甲基丁醛和己醛。
高溫滅菌包括直接法UHT滅菌、間接法UHT滅菌、一步法保持滅菌和二步法保持滅菌，一般用于常溫長(zhǎng)保質(zhì)期牛乳生產(chǎn)。UHT牛乳的優(yōu)勢(shì)在于貯藏期內(nèi)微生物指標(biāo)極其穩(wěn)定，但在貯藏過(guò)程中會(huì)發(fā)生一些化學(xué)和物理變化，降低牛乳質(zhì)量，限制了牛乳的接受度或保質(zhì)期。其中，UHT牛乳在貯藏過(guò)程中最嚴(yán)重的變化是膠凝化，形成不可逆的三維蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致過(guò)度沉淀，在包裝底部形成一層致密的富含蛋白質(zhì)的沉淀物，在頂部積累含有過(guò)多脂肪的奶油，出現(xiàn)明顯分層。牛乳中耐熱酶水解蛋白質(zhì)導(dǎo)致蛋白體系不穩(wěn)定，此外，物理化學(xué)因素，如牛乳/蛋白質(zhì)濃度、加工過(guò)程中的熱負(fù)荷及牛乳成分等，均會(huì)導(dǎo)致膠凝現(xiàn)象發(fā)生。酪蛋白膠束大小被認(rèn)為是UHT處理牛乳穩(wěn)定性的重要影響因素。將全脂牛乳與不同尺寸的酪蛋白膠束混合，進(jìn)行均質(zhì)和UHT處理，發(fā)現(xiàn)與含有中等或較大尺寸酪蛋白膠束的牛乳相比，加工前含有較小酪蛋白膠束的牛乳在貯藏過(guò)程中形成的沉積物明顯較少，這表明牛乳質(zhì)量的內(nèi)在變化對(duì)UHT牛乳的穩(wěn)定性很重要。
風(fēng)味變化是UHT滅菌乳的另一大限制因素，在熱加工時(shí)，牛乳中蛋白質(zhì)的賴氨酸殘基會(huì)與乳糖的羰基發(fā)生美拉德反應(yīng)，不僅影響牛乳的外觀，還會(huì)降低乳蛋白和氨基酸的生物學(xué)價(jià)值，一些熱加工副產(chǎn)物糠氨酸等對(duì)人體有潛在的危害。用蛋白質(zhì)組學(xué)和免疫化學(xué)方法研究在UHT條件下調(diào)制乳中酪蛋白和β-乳球蛋白的糖基化行為，αs2-酪蛋白和β-酪蛋白對(duì)形成Nε-羧甲基賴氨酸的貢獻(xiàn)較大，κ-酪蛋白貢獻(xiàn)相對(duì)較小。糖基化κ-酪蛋白的糠氨酸、5-羥甲基糠醛和羰基化合物含量最低。相反，α-酪蛋白組分表現(xiàn)出高度的糖基化易感性，具有最高的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物水平。
U H T加熱是使用蒸汽直噴或蒸氣注入，即直接加熱，或通過(guò)間接加熱熱交換器。由于直接和間接加熱具有不同優(yōu)點(diǎn)，也有使用這2?種方法的組合系統(tǒng)。報(bào)道了間接、直接和2?種方法組合系統(tǒng)的一些代表性溫度-時(shí)間曲線。結(jié)果表明：與直接加熱系統(tǒng)相比，間接加熱系統(tǒng)的加熱速率更低，因此總熱負(fù)荷更大，β-乳球蛋白變性水平更高，導(dǎo)致牛乳的化學(xué)變化更大；通過(guò)間接加熱處理工藝生產(chǎn)的UHT牛乳往往含有更高水平的揮發(fā)性巰基化合物，具有更強(qiáng)烈的蒸煮風(fēng)味；熱處理對(duì)駱駝乳、牛乳和山羊乳中氨基酸組成和相對(duì)含量有顯著影響，且UHT加熱處理差異最大，不同程度的熱處理均能增加3種乳中Glu、Asp、Met和Cys的含量，賦予處理乳濃郁的乳香味。
隨著消費(fèi)者對(duì)安全、營(yíng)養(yǎng)和新鮮產(chǎn)品需求的日益增長(zhǎng)，減少傳統(tǒng)熱處理帶來(lái)的負(fù)面影響成為學(xué)者的研究熱點(diǎn)，非熱處理加工技術(shù)開始嶄露頭角。
超高壓殺菌是將牛乳置于超高壓裝置中加壓處理，增加微生物細(xì)胞膜的通透性，選擇性鈍化酶活性，導(dǎo)致微生物原有的生理機(jī)能發(fā)生不可逆損傷。
超高壓處理強(qiáng)度對(duì)牛乳的殺菌效果影響很大。，生牛乳經(jīng)工作壓力600 MPa、保壓時(shí)間15 min、50℃保溫30 min后，大腸菌群全部被殺滅，2～6℃條件下可貯藏30 d。低壓有利于牛乳中芽孢激活，高壓有利于細(xì)菌殺滅，采用低壓200 MPa、保壓5 min，高壓500 MPa、保壓30 min后，大腸桿菌全部被殺滅，菌落總數(shù)降低99.91%。
超高壓處理會(huì)改變脫脂乳的色澤，由白色渾濁狀變?yōu)榈S色透明或半透明狀，色澤的改變主要是由脂肪球粒徑和酪蛋白膠束性質(zhì)的變化引起的。超高壓處理對(duì)牛乳風(fēng)味也有影響。在未處理牛乳樣品中檢測(cè)到44種風(fēng)味化合物，主要為芳香烴類、脂肪烴類和酸類物質(zhì)，經(jīng)600 MPa、5 min高壓處理后，牛乳中檢測(cè)到更多種類的風(fēng)味物質(zhì)，脂肪烴類和酸類化合物含量顯著提高，而芳香烴類化合物含量顯著降低。
超高壓處理可以最大限度保留牛乳中的營(yíng)養(yǎng)成分。相對(duì)而言，壓力敏感的微生物耐熱性強(qiáng)，熱敏性的微生物耐壓能力強(qiáng)，因此超高壓技術(shù)常常與其他工藝聯(lián)合使用。
超聲波是頻率大于20 kHz的聲波，由于其頻率高、波長(zhǎng)短，不僅具有方向性好、功率大、穿透力強(qiáng)等特點(diǎn)，還能引起空化作用、力學(xué)效應(yīng)、熱學(xué)效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)等特殊效應(yīng)。超聲波的空化效應(yīng)可以導(dǎo)致細(xì)胞被破壞和病毒失活，達(dá)到延長(zhǎng)牛乳保鮮期的目的。牛乳經(jīng)超聲波處理15～60 s后，可以保存5 d不變質(zhì)，經(jīng)殺菌處理的牛乳再經(jīng)超聲波處理，在冷藏條件下可保存18個(gè)月。研究超聲波、微波和熱處理對(duì)牛乳發(fā)酵過(guò)程中菌株活力、乳酸濃度和生物活性（自由基清除能力、蛋白酶活性、肽含量、抗癌活性、α-淀粉酶抑制率和胞外多糖含量）的單獨(dú)和聯(lián)合影響。結(jié)果表明：超聲波處理的微波樣品具有更高的抗氧化和抗癌活性，其胞外多糖含量、抗癌活性和α-淀粉酶抑制率顯著高于其他處理組；發(fā)酵結(jié)束時(shí)，超聲波與微波聯(lián)合處理的牛乳抗氧化活性分別比超聲波高壓滅菌、微波滅菌和高壓滅菌樣品高13.9%、44.7%和77.3%。
脈沖電場(chǎng)處理殺菌原理是極短的脈沖在極高的電場(chǎng)強(qiáng)度下影響細(xì)胞膜帶電分子，增加膜流動(dòng)性，在膜中形成孔隙，從而殺滅微生物。1958—1985年，德國(guó)工程師Heinz Doeven-Speck開始開發(fā)脈沖電場(chǎng)技術(shù)。單獨(dú)使用脈沖電場(chǎng)（電場(chǎng)強(qiáng)度30～35 kV/cm、溫度30～40℃）處理全脂牛乳時(shí)，微生物數(shù)量降低103 CFU/m L，當(dāng)溫度提高至55℃后，微生物數(shù)量降低106 CFU/mL。脈沖電場(chǎng)的殺菌效果與溫度、微生物種類和生長(zhǎng)階段的相關(guān)性較強(qiáng)。堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶、溶菌酶等是影響牛乳質(zhì)量的相關(guān)酶，能夠被常規(guī)熱處理鈍化、滅活，可以作為熱處理成功的指標(biāo)。脈沖電場(chǎng)通過(guò)影響蛋白酶導(dǎo)致構(gòu)象發(fā)生改變，與酶的類型、結(jié)構(gòu)和輔助因子等有關(guān)。通過(guò)脈沖電場(chǎng)處理（電場(chǎng)強(qiáng)度26 kV/cm）全脂牛乳，黃嘌呤氧化酶和脂肪酶活性分別降低32%和82%。該研究還評(píng)估了脈沖電場(chǎng)對(duì)酶的敏感性順序，依次為堿性磷酸酶>脂肪酶>黃嘌呤氧化酶>纖溶酶。脈沖電場(chǎng)處理和脈沖電場(chǎng)協(xié)同加熱（52℃）處理對(duì)牛乳中纖溶酶活性無(wú)影響，但將脈沖電場(chǎng)處理乳溫度降至42?℃時(shí)，纖溶酶活性大幅降低。以上研究表明，單獨(dú)使用脈沖電場(chǎng)對(duì)一些微生物和酶的影響有限，需要協(xié)同溫和熱處理技術(shù)才能達(dá)到更好效果。殺菌時(shí)高壓脈沖電場(chǎng)影響較大，滅酶時(shí)溫度影響較大。
微波殺菌原理是改變微生物細(xì)胞膜達(dá)到致死效果，包括熱因素和非熱因素。在一定強(qiáng)度微波場(chǎng)的作用下，高溫會(huì)使得蛋白質(zhì)變性失活，從而殺滅微生物。與傳統(tǒng)的熱力殺菌相比，微波殺菌具有升溫效率快、時(shí)間短、殺菌均勻、穿透力強(qiáng)、營(yíng)養(yǎng)成分不被破壞等優(yōu)點(diǎn)。隨著微波強(qiáng)度和殺菌結(jié)束時(shí)牛乳溫度的升高，純培養(yǎng)的微生物數(shù)量逐漸降低，微波功率700 W、加熱38 s、最終溫度27℃時(shí)的殺菌條件達(dá)到飲用牛乳要求。微波加熱相比快速傳導(dǎo)加熱對(duì)鈣強(qiáng)化牛乳體系的組分影響差異較小，以離子形式存在的鈣強(qiáng)化牛乳體系在微波加熱過(guò)程中熱穩(wěn)定性較差。研究中試規(guī)模下實(shí)施連續(xù)微波加熱（110～125℃、5 s）處理重組脫脂濃縮乳，結(jié)果表明，與管式加熱相比，微波加熱的重組脫脂濃縮乳的乳清蛋白變性（β-乳球蛋白變性減少35%～40%）和沉積物形成（污垢減少90%）顯著減少，而顏色變化在所有實(shí)驗(yàn)中均不顯著。
膜過(guò)濾除菌是利用物理截留的方法，將不能透過(guò)膜孔隙的微生物從食品中分離出來(lái)，達(dá)到除菌的作用。膜過(guò)濾除菌只是將食品中的微生物分離出來(lái)，而不會(huì)殺滅微生物，這既符合食品衛(wèi)生要求，同時(shí)又有利于延長(zhǎng)食品的貯藏期和貨架期。采用孔徑1.4μm的陶瓷微濾膜對(duì)原料乳進(jìn)行微濾處理，結(jié)果表明，微濾UHT滅菌乳的pH值、滴定酸度、上層脂肪球粒徑等品質(zhì)指標(biāo)均優(yōu)于非微濾UHT滅菌乳，貨架期也相應(yīng)延長(zhǎng)21～63 d。研究不同工藝下乳過(guò)氧化物酶的活性，經(jīng)85℃或125℃加熱15 s后的牛乳幾乎檢測(cè)不到乳過(guò)氧化物酶活性，而經(jīng)75℃加熱15 s及低溫陶瓷膜過(guò)濾處理后的牛乳均能檢測(cè)出較強(qiáng)的乳過(guò)氧化物酶活性，僅經(jīng)低溫陶瓷膜過(guò)濾處理后的牛乳中乳過(guò)氧化物酶活性損失率最低，即過(guò)多的工藝流程會(huì)導(dǎo)致乳過(guò)氧化物酶活性損失。與高溫短時(shí)殺菌和紫外處理相比，膜過(guò)濾處理能有效截留芽孢和體細(xì)胞，在活性成分保留方面，經(jīng)孔徑1.4μm膜過(guò)濾處理后，其活性成分的保留率顯著高于高溫短時(shí)處理，活性乳鐵蛋白、免疫球蛋白A、免疫球蛋白G、黃嘌呤氧化酶、乳過(guò)氧化物酶和免疫球蛋白M保留率分別為90%、88%、87%、72%、97%和94%。
各殺菌技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)如表1所示。
表1 各殺菌技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比
Table 1 Advantages and disadvantages of various sterilization techniques
微生物是乳制品加工過(guò)程中的主要污染源，隨著時(shí)代的進(jìn)步，消費(fèi)需求的升級(jí)也正不斷催生乳業(yè)科技和產(chǎn)品的創(chuàng)新，使得乳制品的殺菌技術(shù)有了進(jìn)一步發(fā)展。非熱殺菌技術(shù)在保持乳制品品質(zhì)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)熱殺菌技術(shù)的不足。與此同時(shí)，非熱殺菌技術(shù)也有一些待解決的問(wèn)題：一是其研究仍普遍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，暫未形成一定規(guī)模的推廣及應(yīng)用；二是單種非熱殺菌技術(shù)殺菌不徹底、殺菌設(shè)備成本高、殺菌處理影響因素不明確等。這些都影響非熱殺菌技術(shù)在乳制品加工過(guò)程中的應(yīng)用。未來(lái)，通過(guò)設(shè)備開發(fā)、工藝優(yōu)化、非熱多技術(shù)聯(lián)用等勢(shì)必會(huì)讓非熱殺菌技術(shù)成為乳業(yè)的主流殺菌方式。
