食品加工工程作业.docx

食品加工工程在牛奶加工中的应用 高堃瀚（北京化工大学生命科学与技术学院制药工程专业 高堃瀚）摘要：2015年中国奶业寒冬2014年12月10日 青海据经济参考报消息，作为我国西部重要乳品生产地区的青海，2014年以来在大通、湟中等奶牛养殖主产区，牛奶价格比矿泉水还便宜，养殖户损失惨重，出现卖牛倒奶现象。2015年1月1日 河北新京报记者实地走访了河北行唐县三个养牛小区及一家收购鲜奶的企业发现，部分奶农平均每天倒掉的鲜奶近200斤，有的奶农甚至直接把鲜奶以0.5元/斤价格卖给养猪农户。2015年1月6日 山东据证券日报报道，2015年元旦刚过，山东潍坊爆出企业拒收奶而导致奶农大面积杀牛和倒奶事件。2015年1月9日 广东据羊城晚报报道，广东的生奶质量一向全国最好，然而这么高质量的牛奶最后只能白白倒掉。由于国际奶价暴跌而引发的国内倒奶、杀牛潮如今已经蔓延到广东。记者采访发现，目前广州番禺、佛山三水、惠州博罗、珠海等地从1月1日起已经纷纷出现奶农卖牛、倒奶的现象。奶农每天倒奶超过20吨。这在广东历史上还是第一次。追踪北京延庆县卖奶难奶企承诺全部收购记者10日获悉，针对连日来媒体披露“北京延庆县奶农因收购量急剧下降倒掉多余鲜奶”一事，当地政府高度重视，经多方协调，奶企和收购商已全部收购牛奶，但奶农表示，希望能与收购商签订合同。针对“倒奶事件”近期在各地频发，农业部7日下发关于协调处理卖奶难稳定奶业生产的紧急通知，要求各级地方农牧部门在当地政府领导下，迅速行动起来，采取有效措施，全力以赴协调处理“卖奶难”。据最近热点问题，以及中国奶业面临的现状，很大一部分是散户自身经营管理问题，下面我们来谈一谈食品加工工程在牛奶加工中的应用，介绍一下常用的几种对于牛奶加工的处理方法以及牛奶的保鲜，保存口感与风味，牛奶的消毒技术等食品加工工程在牛奶加工中的具体应用。一、 杀菌技术1、非热杀菌技术在牛奶加工中的应用（1）超声波杀菌超声波是指频率超过20kHz的不为人耳所听见的声波。食品工业中的超声提取、超声干燥、超声过滤、超声清洗等方面进展迅速,超声波技术在食品添加剂的合成、微生物代谢、酒类发酵、食品检测、控结晶等方面也得到应用，超声波杀菌也日益引起重视。超声波杀菌的机理是基于超声生物、物理和化学效应。研究发现在含有空气或其它气体的液体中,在超声辐照下,主要由于超声空化的强烈机械作用能有效地破坏和杀死某些细菌与病毒或使其丧失毒性。影响超声波杀菌的因素主要有声场参数、媒质性质以及环境等因素。超声波对不同的微生物杀灭效果不同。超声波杀菌的特点是速度快,杀菌温度低,无外来添加物,不会影响食品品质,用于牛奶杀菌已经得到广泛关注。超声波有时候在几秒钟或者几分钟就能杀死微生物,一般杀菌时间都在10min以内。在室温下超声波就能达到很好的杀菌效果,温度低,不会造成营养损失和感观影响。而且超声波杀菌温度低,无外来添加物,宏观上不会影响物料的品质,可以有效的用于食品保鲜。由于超声波具有强烈的物理化学作用,空化作用产生的高温高压会影响牛奶中一些成分的分子结构,所以 还要对超声波度对牛奶品质进行深层次的研究。熊文雯11发现超声处理后,巴氏杀菌奶的感官指标和理化指标没有明显变化,并且其中的酪蛋白稳定性得以提高。超声波处理可以降低牛奶中脂肪的直径。目前研究表明,超声波处理改善了牛奶的品质。但超声波对牛奶品质的影响仍然需要做进一步的研究。比如,超声波强烈的物理化学作用处理会不会影响牛奶进入人体消化道后的消化性能。胡春林和潘月平18发现,超声波预处理蛋白质可以提高蛋白质酶解的水解度。熊文雯11研究了用超声波处理巴氏杀菌奶可使巴氏杀菌奶中的细菌总数从119103cfu /mL降至318102cfu /mL,大肠菌群由73MPN /100mL降为0,保质期是原来巴氏杀菌奶的近3倍。朱少娟19发现,超声波处理虽然不会改变酪蛋白的构象,但是可以使胰蛋白酶对酪蛋白的水率提高15%,认为这应该是由于超声波处理影响了酪蛋白的某些次级键。因此经超声波处理以后,酪蛋白进入人体后的消化性能也可能会受到影响,但是,结果仍需要实验证明。对于口感与风味的保留应该超声波杀菌是比较优秀但是因为酪蛋白的影响会略有偏差。2、超高压杀菌超高压杀菌是在1001000MPa压力下作用一段时间,达到杀菌要求。超高压技术的原理是使液体的体积减小,产生相应的物理、化学和生物变化,使分子结构和构象发生变化20。微生物的种类不同,对超高压的敏感性差别很大,一般300MPa以上的压力才可以杀灭细菌、霉菌、酵母菌等常见微生物。超高压杀菌效果还会受到液体酸度、水分活度和固溶物的影响21。超高压杀菌在牛奶中的应用也引起广泛关注。超高压处理如果和其他杀菌方法联合使用,杀菌效果明显比两种杀菌方式单独使用效果好。关于超高压对牛奶品质的影响也进行了大量的研究,超高压不会使温度升高,没有色香味及营养成分的劣变,比加热处理耗能低。超高压对食品中的共价键影响很小,对维生素、色素和风味物质等低分子化合物的共价键无影响,可以保持食品的色香味,对食品的营养价值也影响不大6。超高压对蛋白质三级结构和四级结构影响很大,使发生不可逆变化。但是超高压对脂肪球的影响是可逆的。超高压可以使牛奶得到稳定的泡沫,处理稀牛奶也可以得到较好的乳化性,超高压处理的牛奶黏性变大25。随着压力的增大酪蛋白胶粒的水化直径减小;超高压处理能提高脱脂牛乳的动力学粘度,降低浊度和亮度,但是由于脂肪球的保护作用,对全乳牛奶几乎没有影响26。赵光远等研究超高压对鲜牛奶主要品质的影响,发现牛奶的pH随施压时间的增加而稍微增加,超高压处理后牛奶的亮度降低,表明加压使酪蛋白分解,但这种降低在37e是可逆的,不会影响牛奶品质。Casal和Gomez27研究了接种在复配脱脂牛奶中的乳球菌比乳酸菌对超高压更敏感,并且超高压会促进乳酸菌和乳球菌对酪蛋白羧基末端的水解性能。但是超高压对牛奶也有负面影响,牛奶的外观会发生变化,具体表现就是牛奶的反射光线的能力变弱,变得更加不透明。在电子显微镜下观察发现,超高压使酪蛋白胶束破裂,添加Ca2+或稍微加热后才能恢复本来的外观状态。另外,Mussa28等研究了350MPa下处理牛奶10min,发现可以杀死所有的微生物,但是碱性磷酸酯酶实验说明,超高压处理并不能像热处理那样有效的把碱性磷酸酯酶灭活。关于超高压杀菌口感与风味尚无调查实验研究。1、3 磁场杀菌磁场处理能有效地抑止某些微生物的生长,当达到一定磁场强度时,就能达到杀菌消毒的目的。磁场杀菌主要基于它的生物效应,主要有影响电子传递、自由基活动、蛋白质和酶的活性、生物膜渗透、遗传基因的变化和生物的代谢过程等。因为磁场杀菌是在低温下进行,所以不会影响食品的风味和品质。吴移山32研究了磁场辐射对牛奶的保质期和营养成分的影响。研究发现磁场辐射使牛奶的保质期延长了3倍左右,而且对营养成分进行测定,发现牛奶中亮氨酸、谷氨酸含量有所增加,脯氨酸减少,说明磁场辐射使部分脯氨酸转化成亮氨酸。因为脯氨酸是必须氨基酸,所以说这有利于提高牛奶的营养价值。高梦祥33研究发现,脉冲磁场杀菌对牛奶中蛋白质、乳糖和还原性维生素C均会造成一定的损失,但与热杀菌相比,有很大的改善,尤其是对还原性维生素C的保留率,并且脉冲磁场杀菌对牛奶的色泽和风味几乎没有影响。因此说,磁场杀菌是一种有效的牛奶保鲜方法。但是,磁场杀菌存在的问题是要求食品材料有较高的要求,以防材料内部产生涡流而导致磁屏蔽1、4脉冲电场杀菌脉冲电场杀菌是把液态物料作为电介质置于杀菌室两电极间隙内或连续流过杀菌室的两电极间隙,当两电极上加上一定强度和频率的脉冲电场时,在液态物料中产生极强烈的生物效应而杀死其中的细菌。其杀菌原理为:电磁效应引起的细胞膜穿孔、力学效应引起的强大的冲击波和化学效应对细胞的杀灭的共同作用可使微生物细胞产生崩溃致死。如果把脉冲电场和其他杀菌方式协同作用,可以取得显著效果。用脉冲电场处理高温短时杀菌奶可以把牛奶的保质期延长至60d,如果在高温短时杀菌8d以后再用脉冲电场处理,牛奶的保质期可以延长到78d37。Craven38发现,在55e下31kV /cm的脉冲电场处理可以有效减少牛奶中主要的假单胞菌数量, 4e下贮藏时的货架期延长了8d。Shamsi39等研究发现,脉冲电场在2537kV /cm可以部分杀灭牛奶中的碱性磷酸酶(23%67% ), 60e时杀灭率为15e时的二倍,并且在35kV /cm、60e下,脉冲电场对牛奶中包括菌落总数,假单胞菌和大肠杆菌在内的天然菌落的杀灭效果和热杀菌相同。关于对牛奶品质的影响,有待做进一步研究。脂酶是牛乳中固有的一种酶,也是牛奶中存在的一种有害酶,徐娅丽等研究发现脂酶的活性随着电场强度的增加而减少。经电场处理后牛乳中游离氨基酸含量有所增加,且处理时间越长增加越多,而经电场处理后牛乳中的乳糖含量几乎不受影响40。有研究表明,不同电场条件下,牛乳的pH、电导率、乳糖含量、蛋白质质量分数差异均不显著。二、常规杀菌方法：巴氏杀菌在牛奶加工应用细谈。牛奶生产中常采用巴氏杀菌消毒法。目前国际上通用的巴氏消毒法主要有两种：一种是将牛奶加热到6265，保持30min；另一种方法将牛奶加热到7590，保持1516s7巴氏杀菌既可以杀死所有的致病菌，又可较好地保存牛奶的主要营养与天然风味，但处理后仍存留有耐热性细菌8Herzallah等9研究了不同处理温度条件下的巴氏杀菌乳和UHT乳中反式脂肪酸和CLA含量的变化，以及在贮存期间中两种脂肪酸的变化情况。结果发现高温短时间处理并不影响反式脂肪酸的含量，而低温长时间处理反而显著增加了反式脂肪酸的含量。CLA的含量在低温处理时变化不大，反而在高温处理时显著降低。牛奶在贮藏期间反式脂肪酸和CLA含量变化不大。ODonnell等10研究了巴氏杀菌后普通牛奶和有机牛奶中脂肪酸的变化情况，有机奶在饱和脂肪酸含量上高于普通牛奶，而在不饱和脂肪酸含量上低于普通牛奶，在具有生物活性的脂肪酸如CLA含量上，有机牛奶则较高。20世纪80年代，人们在动物的脂肪中发现了共轭亚油酸(CLA)及其同分异构体，其对人体具有不同的生物活性作用1-2。c9,t11CLA可以减少乳腺癌的发生，并具有促进生长和抗动脉粥样硬化的作用3-4。t10,c12CLA与体质量的减轻和肌肉的增加有关5。牛奶中含有多种对人体有益的脂肪酸，其中CLA含量在所有畜产品脂肪酸中的比例是最高的6。在牛奶加热、均质和贮存过程中，可能存在着上述有益脂肪酸被降解的问题。本文引用实验就巴氏杀菌奶不同处理温度和贮存期内脂肪酸变化规律进行研究。摘 要：旨在分析不同的巴氏杀菌温度及贮存时间对牛奶中脂肪酸组成的影响。分别用65、30min和85、15s两种方法处理原料奶，并将处理后的巴氏杀菌奶密封放入4冰箱贮存，用气相色谱方法分别检测原料奶和巴氏杀菌奶贮存期间的脂肪酸组成。结果表明，不同温度处理间各脂肪酸含量变化不显著(P0.05)。不同处理温度的牛奶在贮存期间大部分脂肪酸含量变化不显著(P0.05)，在65、30min处理后牛奶中脂肪酸C4:0的含量在贮存的第8天显著高于新鲜处理后的含量(P0.05)。共轭亚油酸(CLA)在加工处理后和贮存期间含量有所下降，但变化不显著(P0.05)。研究表明了巴氏杀菌方法不影响牛奶中的有益脂肪酸含量，可以作为生产富含CLA牛奶的有效方法。2.1 不同处理温度牛奶细菌数的变化由表1可知，原料奶在经过65、30min和85、15s的巴氏杀菌处理后，牛奶中的细菌数明显降低，表明巴氏杀菌是一种有效的灭菌方法，能杀灭牛奶中的大部分有害菌。65处理的牛奶在贮存期间细菌数增加明显，而85处理的牛奶贮存期间细菌数变化不大，两者在贮存的第6天和第8天中，前者的细菌数含量显著(P0.05)和极显著高于后者(P0.01)。由表2可知，不同温度处理间各脂肪酸含量变化不显著(P0.05)。饱和脂肪酸C4:0、C6:0、C8:0、C10:0、C11:0、C12:0、C13:0和C14:0的含量随温度的升高而增加，单不饱和和多不饱和脂肪酸C14:1、C16:1、C18:1n9c、C18:2n6c、C18:3、C20:3、C20:4、C22:6、CLA和反式油酸(TVA)的含量随着温度的升高而降低，总饱和脂肪酸含量随温度升高而上升，总的单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸含量随温度升高而下降。结 论牛奶经65、30min和85、15s两种巴氏杀菌方法处理后，两种处理间各脂肪酸含量变化不显著(P0.05)。牛奶在贮存期间大部分脂肪酸含量变化不显著(P0.05)，仅在65、30min处理后，脂肪酸C4:0的含量在贮存第8天时显著高于新鲜处理时的含量。由于85、15s处理后的牛奶在贮存期间细菌数增加的比65、30min处理后的牛奶少，而且其加热效率也较高，所以可以作为巴氏杀菌奶首选灭菌方法加以实际应用。三、牛奶的保鲜技术（与之前杀菌技术有交叉与重叠部分不予介绍）1.1超高压保鲜技术1.2超声波保鲜技术1.3脉冲电场保鲜技术1.4磁场保鲜技术1.5紫外线保鲜技术紫外线是太阳光线的一种,是电磁波谱中波长从10400nm辐射的总称,依据紫外线自身波长的不同,可将紫外线分为长波紫外线(315400nm,UV一A)!中波紫外线(280一315nm,UV一B)!短波紫外线(200280nm,UV一C)和真空紫外线(100一200nm)短波紫外线属于可杀菌波段范围,能杀死细菌和病毒,波长200一280nm的短波紫外线能穿透微生物的细胞膜,破坏核酸(DNA)结构,在DNA分子中产生啥吮二聚体,引发突变,使细胞遗传物质的活性丧失,导致微生物失去繁殖能力或死亡l,6一,l紫外线具有简单易操作和良好的杀菌及抑菌活性等特点,在目前重视流通!食品营养与安全的发展趋势下,紫外线处理将日益受到重视,如今紫外线已广泛应用于医疗卫生!食品!水处理及一些工业领域的消毒杀菌余东霞118等人研究了紫外线对牛乳的杀菌效果,结果表明:杀菌时间12min!杀菌距离200mm!牛乳厚度巧m,可杀灭菌落总数的98%以上,经10min照射后,大肠菌群数由11000个/IOOmL下降至30个/100mL,已经符合消毒牛乳的大肠菌群数的指标;实验还显示,照射后的牛乳VD含量从115IU/loomL提高到4315xuzloomL。但牛乳经长时间紫外线照射,会出现变色!变味等质量问题,值得进一步的研究1.6欧姆加热保鲜技术欧姆加热(ohmieheating),亦称做电阻加热!焦耳加热,它并不是一个新的概念,十九世纪,就有了利用电能加热物料的技术,二十世纪初,有人把鲜牛奶通过加有电压的平行板,从而得到了/电力消毒牛奶欧姆加热的基本原理是利用食品本身的介电性质,当电流通过时,在食品物料内部将电能转化为热能,引起食品温度升高,从而达到直接均匀加热杀菌的目的欧姆加热系统是采用低频交流电(5060Hz)配合特殊的惰性电极来提供电流由于电流具有一定的穿透性,因此,待加热食品物料之间以及物料中各部分的导电性差异,将直接影响其加热杀菌效果,另外,食品物料在加热器中的滞留时间也是影响制品品质的一个重要因素(.9一201.7Nisin保鲜技术乳链菌肤(Nisin)是乳酸乳球菌乳酸亚种的某些菌株产生的一种小肤,亦称之为乳酸链球菌肤或乳酸链球菌,乳链菌肤可以广泛抑制多种革兰氏阳性菌,包括葡萄球菌!梭菌!芽抱杆菌!李斯特氏菌等造成食品严重危害的腐败菌其作用的起始靶点位于敏感菌的细胞膜上,通过分散质子动力形成不连续的孔道,从而去除细胞膜的基本能量来源,因此认为孔道形成是乳链菌肤最初的作用方式最近还有研究表明Nisin与鳌合物EDTA结合还能有效抑制沙门氏菌等某些革兰氏阴性菌I22Nisin具有容易被人体消化道中的一些酶降解,不会在体内蓄积而引起不良反应,对食品的色!香!味无不良影响等优点,所以作为天然防腐剂在食品工业中得到了广为应用,如今已被全世界50多个国家和地区用于乳制品!罐头食品!植物蛋白食品!肉制品的防腐保鲜1.8高密度COZ保鲜高密度C仇杀菌是指利用高于或接近于临界温度(31.1e)和临界压力(7.13Mpa)的COZ对食品进行杀菌的技术目前关于高密度C仇杀菌对微生物的杀灭机制还不是很确定,但被普遍认同的假设有三个方面:一方面认为高密度COZ做为非水相介质,能通过高压和萃取等物理因素对微生物形态和完整性造成破坏;另一方面超临界C02是相当好的溶剂,尤其对于非极性的组分具有很高的溶解性,它可能溶解了细胞膜的组成成分,从而导致细胞的死亡;最后高密度CO河以使微生物细胞中的酶变性,从而阻碍细胞新陈代谢的正常进行13rv32。高密度COZ杀菌技术具有成本低廉!安全无毒!杀菌灭酶效果好!有效保持食品原有的品质等特点与超高压相比,高密度COZ处理压力更低,时间更短;与丫射线相比,对食品品质的影响更小,安全性更高。结语：奶业寒冬的原因有多方面。根据一份2013年的数据，从2008年9月到2013年春天，196万中国父母通过淘宝公司购买洋奶粉，这一花销超过了163亿元人民币，平均每人花费8343元。这份报告的数据从2008年开始，这是因为，这一年看成中国奶业的拐点。2008年9月，三鹿奶粉爆出三聚氰胺毒奶粉事件，此后，中国公众对中国奶粉的信任荡然无存。制造商、经销商、奶农都难逃干系。“我们砸了自己的招牌。”2008年毒奶粉事件后，一位奶业从业者的预言一语成谶。从价格上来看，国外品牌的牛奶与国内品牌的高端牛奶相比没有任何劣势。从评价上来看，国外品牌牛奶的口碑更好。 困难的机会，正是我国奶业转变的时机，从本文综述的研究来看，由奶业的保鲜技术，杀菌技术等多方面高科技低成本技术的综合实验才能完成我国奶业转型，从而由内而外进行我国奶业改革，度过奶业寒冬。下面就本文而谈一下我国奶业改革可以延伸的几个方向与问题。 关于奶业改革问题的展望：原料奶中的细菌数及体细胞数较高,国际通用的巴氏杀菌工艺虽然对牛奶的营养保持较好,但杀菌后的存活菌数较高,产品保质期一般仅为两到三天;UHT工艺虽能延长牛奶的保质期,但是对奶中的营养破坏比较严重,并且存在蛋白凝固及脂肪上浮等质量缺陷所以寻求一种安全有效!能适合规模化生产的牛奶保鲜方法意义重大随着科学技术的不断发展,超高压!超声波!脉冲电场和高密度C02等新型的/冷杀菌0技术成了牛奶保鲜的研究热点由于这些技术无需加热就有良好的杀菌!抑菌效果,且能最大程度的保留牛奶的营养成份,保护其新鲜感和良好风味,所以,它们在牛奶加工业中将有有着广阔的应用前景关于非热杀菌保鲜与杀局技术应用存在问题：211 只能有效杀灭牛奶中的某种或者某几种细菌,仍不能用于牛奶的工业化生产,必须和其他杀菌技术协同作用,例如将超声波和乳酸链球菌肽联合使用。如果将两种或者几种杀菌技术联合使用,可能对于牛奶杀菌有更好的效果,这还有待进一步研究。212 有些杀菌技术的机理还不是十分清楚,必须进一步研究其杀菌机理,为非热杀菌技术提供理论基础。213 关于非热杀菌技术对于牛奶品质影响的研究还须深入。如对牛奶成分中的酪蛋白,乳清蛋白,钙元素,维生素的影响。214 对于这些非热杀菌技术的工业化还有很长一段路,对可用于工业生产的设备设计和制作以及工艺参数,仍然有待研究。参考文献：1、 保鲜技术在牛奶加工中的研究进展，岳希举1,余铭,#2,陈海强,崔静,杨公明，食品工业。2、 非热杀菌技术在牛奶加工中的研究进展，盖作启,李 冰,李 琳*,唐德松，食品工业科技。3、 巴氏杀菌奶不同处理温度和贮存期内脂肪酸变化规律研究，李云龙，冀德君，甘宗辉，王小龙，常玲玲，刘 姗，刘贤慧，杨章平，食品科学。4、DURGAM V R, FEMANDES G. The growth inhibitory effect ofconjugated linoleic acid on MCF-7 cells is related to estrogen responsesystemJ. Cancer Letters, 1997, 116(2): 121-130.5、KHANAL R C. Potential health benefits of conjugated linoleicacid(CLA): a reviewJ. Asian-Aust J Anim Sci, 2004, 17(9):1315-1328.6、BELURY M A. Inhibition of carcinogenesis by conjugated linoleicacid: potential mechanisms of actionJ. J