（食品科学专业论文）高压脉冲电场对牛乳中挥发性物质及脂质成分的影响.pdf

摘要 摘要 传统的热杀菌在降低牛乳微生物、延长货架期的同时也对牛乳的营养价值，外观， 特别是挥发性化合物产生了不良的影响。鉴于此原因，采用一种非热杀菌技术来生产高 质量的牛乳就尤为重要。高压脉冲电场( p e f ) 是一种适合所有可以流动性食品等物料的 杀菌技术，而且投资相对较少，运行费用较低，非常适合大规模工业化和连续化生产。 过去对p e f 技术的评价和应用主要集中在p e f 对果蔬汁的杀菌灭酶、风味物质及 货架期寿命的影响上。而有关p e f 对富含蛋白和脂质食品的研究还较少，尤其是关于 p e f 对这类食品品质和组分的影响的研究较少。因此，本论文为p e f 在富含脂质食品中 的应用提供了一定的理论依据，并且提供了一项牛乳新的杀菌技术，对乳品工业有重要 的现实价值。 首先研究了p e f 应用于牛乳的可行性杀菌工艺，评价了杀菌效果，确定了3 0 k v c m 、 6 0 0 9 s 、2 0 0 h z 的最优杀菌工艺，在此基础上测定了4 贮藏的货架期。并进一步分析总 结了p e f 处理对牛乳理化性质、营养价值的影响。 采用固相微萃取( s p m e ) 法提取牛乳中的挥发性香气物质，用气质联用仪对其进行分 析，结果发现，醛、酮、酸、酯( 包括内酯) 、醇及芳香族化合物是牛乳的香气组成物质。 生牛乳和p e f 乳中分别检出2 8 和31 种挥发性化合物，p e f 处理后存在于生牛乳的2 ，3 丁二酮、3 羟基2 丁酮、苯甲醛、6 癸内酯、十六醇和丫十二内酯未检出；新检出的物 质有乙醛、2 戊酮、1 一辛烯3 酮、( z ) 2 庚烯醛、1 己醇、庚醇、2 一呋喃甲醇、2 ( 5 h ) 呋 喃酮和6 一十二内酯。 用s p m e 法提取两种牛乳中挥发性香气物质，用时间强度( o s m e ) 的g c o 法鉴定 其中的香味活性物质。发现了生牛乳中9 种物质：丁酸，2 ，3 丁二酮，3 羟基2 丁酮， 乙酸，己醛，壬醛，6 癸内酯，丫十二内酯和一种未知化合物，其主要的香味特征是奶 油味。p e f 乳中检出1 3 种香味活性物质：乙醛，己醛，丁酸，1 辛烯3 酮，庚醛，乙 酸，壬醛，癸酸，2 ( 5 h ) 呋喃酮，6 十二内酯，2 戊酮和两种未知化合物，其香味特征 比较多样，有奶油香、焦香及包括酸败味、青草味、金属味的氧化味道。 感官评定结果表明，p e f 处理后牛乳无异味，浓郁的乳香味有所减弱，可被感官评 定员接受。 通过综合研究p e f 对脱脂乳和奶油模拟体系中挥发性化合物种类和相对含量的影 响，明确了脂质是影响香气化合物形成的重要因素，p e f 作用下乳中脂质体系发生了一 定程度的氧化，氧化主要产生醛类化合物。 关键词：挥发性化合物，牛乳，高压脉冲电场，气相色谱嗅闻法，品质 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lt h e r m a lp r o c e s s e sa r ee f f e c t i v eo ns t e r i l i z a t i o no fm i l ka n de x t e n s i o no f s h e l f l i f e h o w e v e r , t h e yb r i n ga b o u tm a n ya d v e r s ee f f e c t s f o re x a m p l e ，t h e ym a yr e d u c et h e v a l u b l en u t r i e n t s ，d a r k e nt h ec o l o r , c a u s et h eu n d e s i r a b l ec o o k i n gf l a v o r , a n dd e s t r o ys e n s i t i v e c o m p o n e n t s ，e t c s oi ti si m p o r t a n tt od e v e l o pt h ea p p l i c a t i o no fn o n t h e r m a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g yo nt h ep r o c e s s i n go fh i g h q u a l i t ym i l k p u l s e de l e c t r i cf i e l d s ( p e f ) i sap r o m i s i n g n o n - t h e r m a lf o o dp r e s e r v a t i o nt e c h n i q u et h a ti ss u i t a b l ef o ra n t i s e p t i ce f f e c t i v e n e s so fa n y l i q u i d t h i st e c h n o l o g yr e q u i r e sar e l a t i v e l ys m a l li n v e s t m e n t ，l o wr u n n i n gc o s t s ，a n di ti s v e r yf i tf o rl a r g e s c a l ei n d u s t r i a l i z a t i o na n dc o n t i n u o u sp r o d u c t i o n c o m p a r e dw i t ht h ee x t e n s i v es t u d i e so nt h ea p p l i c a t i o no fp e fi ns t e r i l i z a t i o n ，o d o ra n d s h e l fl i f eo f j u i c e s ，t h e r ea r el i m i t e dr e p o r t sa b o u tt h ea p p l i c a t i o no fp e fi np r o t e i n b a s e da n d f a t - b a s e df o o d s ，e s p e c i a l l yt h ee f f e c t so fp e fo nc o m p o s i t i o na n dq u a l i t yo ft h e s ef o o d s t h e p r e s e n ts t u d yp r o v i d et h ef o u n d a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no fp e fi nf a t - b a s e df o o d sa n dt h e i n f o r m a t i o na n dt e c h n i q u el i t e r a t u r e sf o rt h em i l ki n d u s t r y t h e r e f o r et h er e s e a r c hh a s p r a c t i c a lv a l u e i nt h i ss t u d y ，e f f e c t so fp e ft r e a t m e n tt i m eo ni n a c t i v a t i o no fm i c r o b ew e r ei n v e s t i g a t e d t h eu t m o s ta t t r a c t i v et r e a t m e n tc o n d i t i o n si s3 0k v c m 6 0 0l asa n d2 0 0 h z t h er e s u l t so f s t o r a g ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a ts y n e r g i s t i ce f f e c to fp e fa n dl o wt e m p e r a t u r es t o r a g em a d ea s i g n i f i c a n td e c r e a s eo np e ft r e a t e dc e l l s ，a n db r o u g h tt h em i l kas h e lfl i f ea b o u t2 4d a y si n 4 c p e fp r o c e s s i n gd i d n tc a u s es i g n i f i c a n tc h a n g e si n p h y s i c o - c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n d m u t r i t i o n v o l a t i l ec o m p o u n d sf r o mt h em i l kw e r ee x t r a c t e db ys o l i d p h a s em i c r o e x t r a c t i o n ( s p m e ) m e t h o d s ，a n di d e n t i f i e db yt h eg a sc h r o m a t o g r a p h y - m a s ss p e c t r o m e t r y r e s u l t ss h o w e dt h a t t h ea l d e h y d e s ，k e t o n e s ，f a t t ya c i d s ，e s t e r s ，a l c o h o l sa n da r o m a t i cc o m p o u n d sw e r et h e c o n l m o nc o m p o n e n t s t w e n t y - e l g h ta n dt h i n y - o n ev o l a t i l ec o m p o n e n t sw e r ei d e n t i f i e di nr a w m i l ka n dp e f t r e a t e dm i l k ，r e s p e c t i v e l y v o l a t i l ep r o f i l e ss h o w e dt h a t2 , 3 一b u t a n d i o n e ， 2 - b u t a n o n e 3 - h y d r o x y - ，b e n z a l d e h y d e ，8 - d e c a l a c t o n e , 1 - h e x a d e c a n o la n d1 , - d o d e c a l a c t o n e w e r ed i s a p p e a r e d ，w h i l ee t h a n a l ，2 - p e n t a n o n e , 1 - o c t e n - 3 一o n e ，( z ) - 2 - h e p t e n a l ，1 - h e x a n o l ， h e p t a n o l ，2 - f u r a n m e t h a n o l ，2 ( 5 h ) - f u r a n o n ea n d6 - d o d e c a l a c t o n ew e r en e w l yf o r m e di n p e f t r e a t e dm i l k t h ei n t e n t i o no ft h i sr e s e a r c hw a st oc h a r a c t e r i z et h ea r o m a t i cc o m p o u n d so ft h et w o m i l ka se x t r a c t e db ys p m e i nr a wm i l k , n i n ea r o m a a c t i v ec o m p o u n d sw e r ef o u n d ， c o n t a i n i n gb u t a n o i ca c i d ，2 , 3 - b u t a n d i o n e ，2 - b u t a n o n e 3 一h y d r o x y - ，a c e t i ca c i d ，h e x a n a l ， n o n a n a l ，6 一d e c a l a c t o n e ，丫一d o d e c a l a c t o n ea n dak i n do fu n k n o w nc o m p o u n d w k l et h e r ew e r e t h i r t e e nk i n d so fa r o m a - a c t i v ec o m p o u n d si np e f t r e a t e dm i l k ，c o n t a i n i n ge t h a l l a l ，h e x a n a l ， b u t a n o i ca c i d ，1 - o c t e n - 3 一o n e ，h e p t a n a l ，a c e t i ca c i d ，n o n a n a l ，d e c a n o i ca c i d ，2 ( 5 h ) f u r a n o n e ， 6 一d o d e c a l a c t o n e ，2 - p e n t a n o n ea n dt w ok i n d so fu n k n o w nc o m p o u n d s t h eo s m e ( ag r e e k w o r d ) s h o w e dt h a tt h er a wm i l kc o u l db ed e s c r i b e da sc r e a m ya n dc o m p a r e dt o c r e a m y c a r a m e l r a n c i d g r a s s m e t a lo ft h ep e f t r e a t e dm i l k s e n s o r ya s s e s s m e n to ft h et w os a m p l e ss u g g e s t e dt h a tb o t hw e r ea c c e p t e db yt a s t ep a n e l 1 1 a b s t r a c t b yt h es i d eo fr a wm i l k ，p e f t r e a t e dm i l kh a v en o ta r i c ha r o m a t i co d o rr a t h e rt h a no f f - o d o r o t h e rr e s e a r c h e sw e r ec o n c e n t r a t e do nv o l a t i l ec o m p o u n d sf r o mt h es k i mm i l ka n d c r e a me m u l s i o n sb yp e f t r e a t e d i tw a sc o n c l u d e dt h a tf a t sp e r f o r m e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h e i n f o r m a t i o no fv o l a t i l ec o m p o u n d s p e ft r e a t m e n tp r o m o t e st h ef o r m a t i o no fa l d e h y d e s k e y w o r d s ：v o l a t i l ec o m p o u n d s ，m i l k ，p u l s e de l e c t r i cf i e l d s ，g c 一0 ，q u a l i t y 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是苓人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 瑾翌 日 期 翻：丝： 生 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签 名： 瑚导师签名：彳蟹旌叠二 日 期：趁早卫牛 l 引言 1 引言 1 1 牛乳简介 牛乳是母牛分娩以后，为给犊牛提供生长所需营养，而从其乳腺分泌的一种具有胶 体特性的液态物质。其色泽呈白色或略带黄色，不透明，味微甜并具有特有的香味。它 是幼畜出生后惟一的食物，含幼畜生长发育所需的各种营养成分和保护幼畜免受感染的 抗体。 乳的加工利用在我国有着悠久的历史。据史料记载，约在l 万年前的皇帝时代，牛、 羊被驯化为家畜以后，曾“取乳为食”。汉书注引：“主乳马以革囊为兜。受教斗， 呈马乳”。北魏高阳太守贾思勰著齐民要术、唐朝陈藏器著本草拾遗、明朝李时 珍著本草纲目都对牛乳、羊乳、马乳、驼乳及其制品有记载。- n 品的种类很多， 如鲜牛乳、酸牛乳、乳饮料、乳粉、干酪、奶油、冰淇淋等一系列产品，这些产品已成 为人类的重要食物之一，其中鲜牛乳及各种灭菌乳因其较高的营养价值和良好的保藏性 而广受消费者欢迎。 长期以来，我国居民对乳制品的消费一直以奶粉为主。近年来，这种消费状况开始 发生变化。从奶制品的消费结构来看，液态奶消费量近年上升较快，所占比重逐年增大。 据不完全统计，我国奶粉制品年增长率为1 1 5 ；市场销售的液态奶年增长率为4 7 3 ； 液态奶的增长幅度高于奶粉的增长幅度。预计未来奶制品的消费将以奶粉为主向以液态 奶为主转变。由于液态乳属奶类饮品，具有饮品的消费特征，并且人们对液态奶营养成 分的需求呈多样化的发展趋势，各种类型、规格、包装、口味的液态奶制品不断出现， 以满足不同消费群体的多样化需求，具有优质、安全、营养、便捷等特点的产品将成为 消费热点。 1 2 牛乳风味 牛乳作为饮料为消费者接受和喜爱，其风味较其他因素的影响都大。牛乳带有一种 天然清纯可口的乳香味，正是这种风味，才使得人们饮后感到可口、细滑、清香。 乳制品风味的研究，早在2 0 世纪5 0 年代就开始了，当时仅限于对具有乳制品风味 的非挥发性水溶性的前体物( 即滋味成分) 进行鉴定。人们对乳制品香气的分析还仅限于 感官分析水平。到了6 0 年代和7 0 年代，人们开始将现代仪器分析和先进的分离技术用 于鉴定乳制品中挥发性香气物质，这在乳制品风味的研究中迈出了重要一步。 但是，随着研究的进展，人们很快认识到，乳制品风味的形成过程比人们的预想复 杂得多，尤其对挥发性成分的研究更是如此。近年来，由于各种高效毛细管技术的出现， 使得气相色谱质谱仪0 3 c m s ) 用于挥发性成分的分析真正成为可能。这种方法将气相色 谱和质谱联用并与数据系统( 计算机检索与谱系数据库) 串联在一起，将香气物质分析技 术进一步提高到一个更加迅速、准确的水平，从而为乳制品挥发性成分的研究提供了良 好的条件。 江南人学硕士学位论文 大量的研究表明，- 孚l s u 品复杂的风味体系是由具有滋味和香味活性的成分组成的。 尽管乳制品的滋味活性成分一般都是非挥发性的，但其香味活性成分实际上都是挥发性 的。人们接受还是拒绝一种食品基本上取决于它的j x l 味，而且首先是其风味。食品风味 的好坏在很大程度上取决于食品的香气。决定食品香气的是食品中的挥发性物质，同样 决定乳制品香气的也是乳制品中的挥发性物质，这些化合物大体上可以归纳为两大类： 一类是烃、醇、醛、酮、酸、酯、内酯等简单化合物；另一类是含氧、硫、氮原子的杂 环化合物，如呋喃及其衍生物和噻吩及其衍生物掣。 乳制品中挥发性香气物质的形成主要是乳制品中的蛋白质、脂肪、乳糖这三大物质 降解或每一类物质的衍生物之问相互反应生成的具有挥发性的新产物。其形成过程如图 】- 1 。 第一前体物前体物中间物 图1 - 1 乳制品香气化合物形成图 f i g 1 - 1f o r m a t i o no f o d o rc o m p o u n d so f d a i r yp r o d u c t s 图1 1 表明，一些前体物先生成中间产物，然后再交互反应生成最终产物；还有一 些前体物可直接降解成最终挥发性香气物质。一般来说，乳制品中典型的挥发性物质的 形成途径包括：脂肪酸的分解、含硫氨基酸的分解、硫胺素的分解、糖与氨基酸的美拉 德反应、酶的作用等【2 j 。 脂肪酸的分解是指牛乳在酶的作用下或加热过程中，脂肪酸以游离态释出，并进行 自动氧化、水解、脱水及脱羧等反应形成酸、醇、烃、羰基化合物、酯、内酯及含呋喃 环的化合物。这些物质在乳制品香气的形成中起着重要的作用【3 】。 含硫氨基酸主要是指半胱氨酸和蛋氨酸，它们是生成具有明显香气的挥发性含硫化 合物的重要来源。它们通过酶或转氨基作用生成硫醇烷烃，硫醇烷烃在酶的作用下进一 步生成如h 2 s 等含硫化合物和硫酯，这些都是乳制品香气成分中不可缺少的组成成分。 另外，醛和h 2 s 也会相互作用产生挥发性香气物质【4 】。 硫胺素( 维生素b 1 ) 的光化学降解物同h 2 s 反应能够生成一种具有橡胶气味的强挥发 性化合物，这种化合物是乳制品香气的重要成分【5 j 。 在热处理或后熟一段时间的乳制品中，美拉德反应是导致关键挥发性香气物质产生 的一个重要因素。该反应较复杂，会产生大量的挥发性化合物。反应的初始阶段，一分 2 质 方 唐 朗 默 惴 蛋 雕 孚 1 引言 子的还原性糖( 在乳中主要是乳糖) 和一分子氨基酸( 在乳中主要是蛋白质上的赖氨酸) 生 成一分子n 一取代的葡萄糖胶。随后，通过脱水重排和脱氧生成各种各样的糖脱水和降 解产物，如糠醛和呋喃衍生物、羟基酮和二羰基化合物。在反应的最后阶段，这些化合 物与其它活性物质如胺、氨基酸、醛、硫化氢和氨之间发生作用，产生乳制品特有的挥 发性物质，如乙酰吡咯，吡啶甜菜碱，氨基呋喃【6 1 。伴随美拉德反应产生二羰基化合物 的一个重要辅助反应是氨基酸斯特勒克降解反应( s t r e c k e rd e g r a d a t i o n ) 。氨基酸经脱羧脱 氨基形成醛，而二羰基化合物转化为q 氨基酮，如丙酮醛和双乙醛，同其它物质发生 进一步反应生成许多不同的潜在香气物质，如吡啶、吡嗪、噻唑、毗咯和咪唑【7 , 8 1 。 决定牛乳香气的因素，关键在于牛乳中的脂肪。通常情况，乳脂含量越高，牛乳的 乳香味就会越浓。而牛乳的乳脂高低又跟奶牛品种、奶牛所采食的饲料、牛乳的冷冻处 理是否及时以及加工工艺等有很大关联。乳制品的挥发性香气物质是一个极其复杂的混 合体系，这些复杂的混合物交织在一起共同赋予乳制品特有的香气。这些化合物通常在 乳制品中所占比例极小，范围从不足l n g k g 到几百个m g k g 不等，通常由3 0 0 - - 4 0 0 个 化合物构成乳制品的香气组成【9 1 。 1 3 热处理对牛乳挥发性物质的影响 工业上常采用巴氏杀菌和u h t 来延长牛乳的货架寿命。热杀菌工艺是影响牛乳风 味的主要原因，不同的热处理条件会导致牛乳产生不同的香气。因此，乳制品风味研究 者对不同的热处理条件下得到的产品的香气进行了详细研究，对巴氏杀菌乳和u h t 乳 中的挥发性物质的成分有了深入的认识。 低温巴氏杀菌是一个很温和的热处理，此处理对牛乳香气影响很小，所以低温巴氏 杀菌乳仍然保持其原来的味道，仅可能有由痕量硫化氢引起的非常微弱的蒸煮味。中温 巴氏杀菌乳的香气同低温巴氏杀菌乳相似，只是有了更明显的蒸煮味。高温巴氏杀菌乳 具有明显的蒸煮味、轻微的焦糖味【1 0 1 。 u h t 乳感官特征的重要标志是蒸煮味( 也称为硫味或卷心菜味) 、灭菌味( 也称为美 拉德味、焦糖化味、凝胶化味) 和氧化味( 也称腐败味或酮味) ，这是加工过程氧化作用共 同产生的香气【1 1 , 1 2 】。 u h t 乳的蒸煮味是由硫化氢、巯基甲烷、二甲基硫化物和羧基硫化物等含硫的挥 发性物质引起的，这些含硫的化合物是由乳加热引起的乳清蛋白的变性或美拉德反应产 生 1 3 , 1 4 】。二甲基硫化物也可由s 甲基蛋氨酸锍盐生成【1 5 】。由于游离的巯基被氧化成二硫 化物或参与美拉德反应，蒸煮味会随着热处理温度的升高而更明显。导致牛乳中的蒸煮 味开始产生的游离巯基浓度为2 0 p m o l l 1 6 】。由于牛乳中的氧气将游离的巯基氧化，所 以在u h t 乳的后熟加工处理过程中，蒸煮味会逐渐下降i r 卜1 9 】。游离的巯基可以被其他 反应物转化，已报道的转化方法的有：游离的巯基同有机硫代亚磺酸酯和硫代硫酸盐反 应【2 0 ，2 1 】；在加工处理之前向牛乳中添加l - 半胱氨酸【2 2 】；用固定化的硫基氧化酶来降低游 离巯基的含量吲；在对牛乳加工处理之前加入孜然芹籽 2 4 1 。氧气的浓度和后熟温度对 u h t 乳的蒸煮味也会产生影响。较高的氧气浓度和较高的温度会使牛乳的蒸煮味消失 3 江南人学硕十学位论文 的较快【1 7 2 5 1 。据报道氧气的浓度在3 - 5 p p m 之间是最佳的【2 5 1 。 在u h t 乳的后熟过程中，一旦蒸煮味下降到一定程度，氧化味将开始增加。氧化 味有时也称为腐败味，目前还没有对影响氧化作用的挥发性物质取得一致。但可以确定 的是，醛和酮起决定性的作用。醛和酮是由乳中的脂肪生成的，也可由美拉德反应生成。 据报道，乙醛、丙醛、j 下戊醛、己醛【2 6 , 2 7 】、乙酮、2 戊酮和2 庚酮【l 】、2 壬酮【2 8 ，2 9 1 、2 辛酮【3 0 】都是影响氧化作用的关键性香气物质。 1 4 非热杀菌技术 1 4 1 非热加工技术的兴起 热力杀菌一直是食品工业中极为重要的杀菌钝酶方式。传统的热杀菌方式能够有效 地杀灭食品中的各种腐败微生物和病原菌，延长食品保质期，但加热处理也不同程度地 对食品营养物质( 如维生素、功能蛋白质、功能色素等) 、挥发性风味物质、天然色泽和 质构及生理活性成分等产生一些不利的影响，特别是对于热敏性或有特殊要求的功能性 食品常不能达到预定效果。同时，随着现代社会人们生活水平的提高，消费者逐渐趋于 购买新鲜且保持原有天然香气的食品，人们对食品的新鲜、营养、安全要求越来越高， 希望食品在加工过程中能保持其原有的品质，因而导致了m p f 食品( m i n i m a l l y p r o c e s s e d f o o d s ，m p f ) 概念的诞型引 3 2 1 ，推动了非热加工技术的研究和开发。国际食品加工界出现 了一系列新的非热杀菌技术，如高压脉冲电场( p u l s e de l e c t r i cf i e l d s ，p e f ) 、超高压( h i 曲 p r e s s u r e ) 、强磁脉冲、脉冲强光、超声波、高能射线、膜分离和活性包装等技术。美国 食品科技学会( i n s t i t u t eo ff o o dt e c h n o l o g i s t s ) 在1 9 9 9 年专门成立了非热食品加工分会， 非热食品加工( 主要是非热杀菌) 已成为国际食品界最为活跃的研究领域之一和食品加工 中一个新的增长点p 3 i 。 1 4 2p e f 技术的发展历程 从上个世纪6 0 年代开始，就有学者对p e f 杀菌技术的非热效应进行了研刭州。8 0 年代以后，h i i l s h e g e r 、z i m m e r m a n n 等学者对p e f 杀菌机理做了进一步研究，并研制出 小型试验设备【3 5 3 引。9 0 年代后，华盛顿州立大学研制出了较为成熟的设备，并因此获得 了专利。z i m m e r m a n n 等人还对指数衰减脉冲波、振荡脉冲波和矩形脉冲波的灭菌效果 做了对比研究，发现矩形脉冲波的作用效果最好【3 9 1 。2 0 0 0 年美国d t i 公司为俄亥俄州 立大学食品技术系设计制造了第一台商用p e f 处理系统，该系统是利用半桥型拓扑结 构，通过两个完全独立的固态开关成型的双极性高压脉冲。目前，p e f 设备已经发展到 准商业化阶段，很多研究机构先后开发出带有无菌包装体系的中试规模p e f 处理系统， 可处理浓缩或新鲜的苹果汁、豌豆汤、牛乳等产品；俄亥俄州立大学的无菌技术研究中 心开发出整套的p e f 处理系统和无菌包装系统，此系统处理产品流速为1 8 9 3 7 9 l h ； 另外，俄亥俄州立大学还开发出o s u 系列小型实验用p e f 设备，位于美国加利福尼亚 州的p u r e p u l s e t e c h n o l o g i e s 公司也开发了处理量1 0 l h 和2 0 0 l h 的“c o o l p u r e p e f 处理 4 1 引言 体系。脉冲电场食品非热处理技术已经成为近2 0 年来最有前途实现工业化应用的非热 杀菌技术【加1 。 1 4 3p e f 技术的国内外发展现状 p e f 杀菌技术的起源可追溯到1 9 6 2 年德国的d o e v e n s p e c k 申请的应用p e f 加工香 肠等产品的专利【4 1 4 2 1 。之后，s a l e 和h a m i l t o n 对p e f 的应用和杀菌机理进行了一系列 研究，并提出了电穿孔机制。从上世纪八十年代开始，p e f 作为一种新型的冷杀菌技术， 一直受到美国、德国、法国、加拿大、西班牙、比利时、荷兰等发达国家的政府、企业 和研究单位的广泛重视。许多食品科学家、微生物学家、工程专家、机械和电器工程师 通力协作，对p e f 杀菌的设备、工艺、杀菌效果、杀菌机理、产品风味变化和货架寿命 等进行了全面研究。从八十年代至今，国际上在该领域比较著名的研究小组有h u l s h e g e r p o t e l & n i e m a n n ( 1 9 81 19 8 3 ) ；s i t z m a n & g r a m ( e l c r a c k ，e l s t e r i l ) ( 19 8 5 19 9 6 ) ；d u n n , h o f i n a r m b u n s h n e l l ( 19 8 2 现在) ，b a r b o s a c a n o v a s & s w a n s o n ( 19 9 2 现在) 和z h a n g ( 1 9 9 4 现在) 等领导的研究小组。美国俄勒冈州g e n e s i sj u i c e 公司利用p e f 技术生产的 果汁已通过了食品药品管理局( f d a ) 的认证，并在波特兰市场上j 下式销售，其产品有苹 果汁、草莓汁等，所用p e f 系统为o s u 一5 型，处理速率约为2 0 0 l h ，货架保存期为4 周【4 5 1 。近几年内美国申请高强度电场杀菌设备和技术方面的的专利近1 0 项。目前欧 盟成立了高强度电场项目研究委员会，德国柏林理工大学、加拿大圭尔夫大学、英国和 荷兰的u n i l e v e r 实验室、日本的m i t s u b i s h i 公司和t o y o h a s h i 科技大学都在高强度电场 杀菌效果的研究方面取得了一定的进展。总之，国际上p e f 杀菌技术正进入试用阶段， 随着一些关键问题的解决，该非热杀菌技术将得到迸一步的推广。 与国外相比，国内有关非热加工技术的研究起步较晚，研究较少。国内在上世纪9 0 年代后期开始进行p e f 杀菌方面的研究，目前主要有江南大学、中国农业大学、清华大 学、华南理工大学、吉林大学、浙江大学和大连理工大学等高校在开展p e f 技术的相关 研究，江南大学从美国俄亥俄州立大学购置了一套o s u 4 l 型p e f 杀菌设备，并进行了 较为基础性的研究和设备改造。中国农业大学、吉林大学和华南理工大学等机构对p e f 对果蔬汁中杀菌钝酶效果及机理研究做了许多工作，取得了一定的成果。近年来，我国 学术期刊上出现了少量关于p e f 在食品保藏中应用的报道1 4 6 - 5 8 1 ，但远远没有国外研究的 深入。可以说，我国对p e f 技术的研究方兴未艾，但与国外相比尚存在较大差距。 1 5 立题背景和意义 随着生活水平的提高，消费者对食品的要求也不断提高。消费者希望食品不仅卫生、 新鲜，而且富有营养。牛奶是全世界公认的营养佳品，它不仅含有优质蛋白质、丰富的 钙，而且几乎含有人体营养所需的所有维生素，以及多种免疫活性因子，是各种食品中 营养价值无与伦比且最接近完美的食品，被誊为“白色血液 【5 9 】。1 9 9 8 年全世界奶类 总产量为5 6 4 亿t ，人均占有量为9 7 k g 。其中牛奶为4 7 9 亿t ，其他为水牛奶、羊奶等。 发达国家乳及乳制品生产处于饱和状态，在亚洲国家乳及乳制品生产发展迅速，除中国 5 江南人学硕十学位论文 外，亚洲人均消费奶类已超过4 0 k g 。目前我国乳制品行业发展迅速，预计到2 0 1 5 年城 镇人均乳品消费水平将达到4 1 0 3 k g ，随着经济的发展，乳及乳制品消费将会有大幅度 的增加【删。 目前，主要通过杀死乳中微生物、钝化酶及延缓一些化学组分的变化来延长牛乳的 货架期。国内外对鲜乳的杀菌灭酶处理，主要采用热力法【6 。最常用的方法为巴氏消毒 ( 6 2 8 6 5 6 、3 0 m i n ) 和高温短时杀菌( ( h t s t ，8 5 、1 5 s ) ，二者常称为低温杀菌，牛乳 理化性质变化很小，风味几乎不受影响，乳清蛋白仍处于未变性状态，凝乳酶凝集性质 不受影响，但由于微生物没有完全杀死，保质期过短。超高温( u h t ) 灭菌乳虽然保质期 长，但高温对牛乳的品质影响严重，对鲜乳的颜色、功能性和营养成分有破坏作用，甚 至出现蒸煮味。鉴于以上原因，寻求一种既能延长牛奶的保质期又能最大限度地保存其 固有营养价值，同时节约能耗的杀菌灭酶方法就成为一种必要的趋势。 高压脉冲电场( p e f ) 技术是近年来研究最多的非热加工技术之一。其原理是利用瞬 间高压脉冲电场作用于微生物细胞，致使细胞膜形成细孔，渗透性增强，细胞膨胀，最 终破裂而使微生物失活。p e f 技术有两个特点：一是由于处理时问短，处理过程中的能 耗远小于热处理；二是由于在常温、常压下进行，处理后的食品与新鲜食品在理化性质、 营养成分上改变小，香气、滋味无感觉出来的差异，杀菌效果明显【6 2 】，可以解决传统热 处理无法解决的问题。 1 6 主要研究内容 针对牛乳在热杀菌过程中存在的问题，以牛乳中挥发性香气物质为主要研究对象， 开展p e f 作用下牛乳中香气物质变化的研究，并通过进一步的实验设计讨论p e f 作用 下乳脂的氧化规律，为该技术应用于富含脂质的液态乳的进步发展提供理论指导和实 验数据，以加快其工业化进程。主要研究内容包括： 1 研究p e f 应用于牛乳的可行性工艺，评价其杀菌效果，确定最优工艺参数。 2 评价在最优杀菌工艺条件下p e f 处理对牛乳品质的影响。 3 研究p e f 作用下牛乳中挥发性物质及香气活性物质的变化。 4 通过研究p e f 作用下脱脂乳和奶油模拟体系中挥发性物质的变化，进一步阐述 p e f 作用下牛乳中脂质的氧化规律。 6 2 材料与方法 2 1 材料与设备 2 1 1 实验原料与主要试剂 2 材料与方法 生牛乳，无锡市天资乳品饮料厂；营养琼脂( 生化试剂) ，中国医药集团上海化学试 剂有限公司；次氯酸消毒液，江苏爱福特药业保健品公司；新西兰安佳无盐奶油，上海 五谷国际贸易有限公司；2 甲基一1 - 戊醇( 色谱纯) ，东京化成株式会社。 2 1 2 主要仪器 o s u 4 l 实验室规模脉冲处理器，美国俄亥俄州立大学；i s o t u m p 3 0 1 6 型冷却循环水 浴，f i s h e rs c i e n t i f i c 。u s a ；t d s1 0 1 2 型两信道数字实时监控示波器，t e k t r o n i xl n c ， w i l s o n v i l l e ；数字齿轮恒流泵，c o l e p a n n e ri n s t r u m e n tc o m p a n y ；x s w - c j 2 a 标准型净 化工作台，吴江市绿叶空调净化有限公司；p hs 一2 型酸度计，上海第二分析仪器厂； d r p 9 0 8 2 型电热恒温培养箱，上海森信实验仪器有限公司：h h - 4 型数显恒温水浴锅， 江苏金坛荣华仪器制造有限公司；实验室电导率仪f e 3 0 ，m e t t l e r - t o l e d o ( s h a n g h a i ) c o m p a n y ；d g g 9 0 7 0 a 型电热恒温鼓风干燥箱，上海森信实验仪器有限公司。 2 2 实验方法 2 2 1 实验样品制备 生牛乳来自无锡市天资乳品饮料厂，乳样采自健康牛只的新鲜乳汁，为白色、均匀、 无沉淀的流体。 脱脂牛乳采用离心机1 0 0 0 0 r m i n 离心1 5 m i n ，过滤后得到。 奶油模拟体系的制备：取1 0 9 奶油溶于2 0 0 m l 0 0 1 mp b s 缓冲溶液中，添加6 9 乳 化剂( 2 9 甘油酸单甘脂，4 9 t w e e n 2 0 ) 于1 0 0 0 0 r m i n 均质2 m i n ，得到奶油乳状液。 2 2 1 1p e f 连续处理设备 实验室规模连续处理设备示意图如图2 1 。正负脉冲的频率、持续时间和延迟时间 由触发发生器( 9 3 1 0 型，美国昆腾公司生产) 控制。电压、电流信号及波形可从两信道数 字实时监控示波器( t d s2 1 0 型) 波形图直接读取( 见图2 2 ) 。图2 - l 中t l 、t 2 、t 3 及t 4 分别为第一对处理腔和最后一对处理腔的进出口温度，由热电偶测量，其数值可在触摸 控制屏观察。 采用由六个连续的脉冲处理腔，六个处理腔由不锈钢弯管连接成3 对，组成一个处 理单元。每对之间再接有内径相同的冷却旋管( 旋管浸没于循环式冷却水浴) ，每对电极 间距为2 9 0 m m ，内径2 3 0 m m 。仪器管路采用4 n a o h 、1 0 市售次氯酸消毒液和无 菌水清洗，清洗至无菌备用。 7 江南人学硕+ 学位论文 高压 接地 齿轮泵 超净工作台水浴 图2 1 实验室规模连续处理设备o s u - 4 l 示意图 f i g 2 一ld i a g r a mo ft h eb e n c h - s c a l ep u l s e de l e c t r i cf i e l d ( p e f ) c o n t i n u o u sp r o c e s s i n gu n i t l ed o s s i e rc o u l a n te s ta ：、 图2 - 2 双极矩形脉冲波形图 f i g 2 - 2b i p o l a rs q u a r ew a v ep u l s ep a i r 图2 2 为示波器输出的双极矩形脉冲波形图，其中t r i g d 表示触发脉冲鉴别模式， t y p e 为输入信号类型，s o u r c e 为信号来源，c u r s o r 表示光标模式，d e l t a 为两条光标线 之间的差值。牛乳的脉冲波形基本为矩形，峰顶为锯齿形，电压、电流以波峰数值为准。 信道1 为电压波形，信道2 为电流波形，p e f 单元输出的电压电流的实际数值可由示波 器图读出。 2 212p e f 杀菌参数选择 本实验对牛乳施加连续的电脉冲处理，选择6 个连续处理腔，双极正负脉冲，设置 电场强度为3 0 k v c m ，通过改变物料流速、固定脉冲宽度和频率控制总处理时间分别为 1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 和6 0 0 1 x s ( 脉冲宽度2 p s ，脉冲频率2 0 0 h z ) 。 2 213p e f 参数计算 电场强度e 、总处理时间t 、输入能量w 计算及物料处理前后温升估算方法如下： e ：旦 d t = n p n c w p n p _ t r f 8 2 材料与方法 t i = 一v f q = e 2 0 t r ：e 2x n p x w p x o r 0 o l p xc p 其中： i 卜电压，k v v 一单个腔体积，0 0 1 2 c m 3 d 电极间距，0 2 9 c mf 物料流速，c m 3 s e 电场强度，k v c m w 一输入能量，j n 厂单个处理腔内接收的脉冲数卜物料在每个处理腔内温升， n 。处理腔个数，6o 物料电导率 w 厂脉冲宽度，l x s卜物料密度，k g m 3 t 广停留时间，s c 厂比热，j ( g ) 卜脉冲频率，h z 2 2 1 4 巴氏杀菌处理设