非热加工技术在乳品行业中的应用前景

非热加工技术在乳品行业中的应用前景国家乳业工程技术研究中心主任助理姜毓君教授方兴未艾的非热加工技术„高压加工技术„脉冲电场技术„膜过滤技术„超声波技术„紫外线技术高压加工技术（HighPressureProcessing,HPP）主要特点„以水或其他不可压缩的流体介质作为传递压力的媒介物„在静高压（100MPa-1000MPa之间，常用的范围是300-700MPa）用适当的时间„引起食品成分非共价键（氢键、离子键和疏水键等）的破坏或形成„使食品中的酶、蛋白质、淀粉等生物高分子物质分别失活、变性和糊化，并杀死食品中的微生物（细菌、酵母、霉菌和大多数病毒），从而达到食品灭菌、保藏和加工的目的主要特点„瞬间压缩,作用均匀,灭菌效果迅速,操作安全且耗能低„污染少„更好地保持食品色、香、味及营养成分„通过组织变性而得到新型食品„压力不同,作用性质不同„已经有实验室规模和商业规模的高压加工设备高压加工对牛乳品质的影响„对原料乳采用350-600MPa的超高压处理一定时间，分为：„连续加压„交变加压9测定指标并与巴氏杀菌进行比较9微生物指标9理化性质„利用SDS-PAGE分析了不同加工方式对牛乳总蛋白的影响，发现：„经超高压、巴氏和500MPa交变处理的牛乳与处理前相比，蛋白电泳图谱中某些大分子量蛋白质条带消失或变浅„由此推测经上述处理后牛乳中有一些蛋白质的亚基发生了解离„而经400MPa交变处理的牛乳与处理前相比，蛋白电泳图谱相似营养成分变化„苏氨酸、VA、VC在超高压处理中受到的破坏明显比巴氏杀菌小得多，特别是苏氨酸和VA几乎完全被保留下来，而VC含量也要比巴氏奶高出25%以上„VB1、VB2经超高压处理对其破坏要比巴氏灭菌小，其含量分别比巴氏杀菌牛乳高出9.5%和2.6%；高压处理前后牛乳营养成分变化（除注明外，均为mg/100g）6.016.12Zn(mg/kg)244244赖氨酸7.026.82Fe(mg/kg)166154苯丙氨酸870902P（mg/kg）113122酪氨酸12801280Ca(mg/kg)330328亮氨酸195206VB2(μg/100g)173174异亮氨酸5.285.46VB1(μg/100g)97.997.1蛋氨酸74.498.1VE(Μg/100g)196197缬氨酸1.191.43VC18.316.6胱氨酸67.966.7VA(μg/100g)108108丙氨酸32793284氨基酸总量64.166.7甘氨酸310314脯氨酸705711谷氨酸105105精氨酸167164丝氨酸40.842.3色氨酸130128苏氨酸81.982.3组氨酸229230天冬氨酸高压处理后高压处理前营养成分高压处理后高压处理前营养成分高压加工的杀菌效果„压力越高，加压时间越长，交变次数越多，杀菌效果越好„与巴氏杀菌乳相比，超高压杀菌有助于延长牛乳的保质期，扩大牛乳的销售半径1：350MPa10min；2：400MPa10min；3：450MPa10min；4：500MPa10min；5：550MPa10min；6：600MPa10min；7：巴氏杀菌不同压力对牛乳中细菌的影响1：600MPa5min；2：600MPa10min；3：600MPa15min；4：600MPa20min；5：600MPa25min；6：600MPa30min；7：巴氏杀菌不同保压时间对牛乳中细菌的影响35升超高压处理设备高压加工技术的局限性„单纯的超高压处理难以灭活芽孢„不能够连续处理，只能批处理„成本比热加工高脉冲电场技术（PulsedElectricField,PEF）主要特点„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„电压可达50KV，频率可达400KHz„数微秒内产生若干短脉冲„脉冲波形不同，作用效果有差异„主要适用于液体„主要用于杀灭微生物„已有商业化设备（每小时处理2000升）PEF处理系统示意图高压脉冲电场的杀菌机理„高压脉冲电场的杀菌机理是在微生物细胞膜上造成小孔，从而使其裂解死亡，具体有二种解释：„点崩解认为微生物的细胞膜可以看作一个注满电解质的电容器，在外加电场的作用下细胞膜上的膜电位差会随电压的增大而增大，导致细胞膜厚度减少。当V达到临界崩解电位差Vc时，细胞膜上有孔形成，在膜上产生瞬间放电，使膜分解。„电穿孔则是认为外加电场下细胞膜压缩形成小孔，通透性增强，小分子进入到细胞内，致使细胞的体积膨胀，导致细胞膜的破裂，内容物外漏，细胞死亡高压脉冲电场的杀菌机理示意图PEF处理后对细胞的破坏作用未处理的细胞PEF处理的细胞Vb12损失量（%）Vc损失量（%）蛋白质变性程度（%）处理8.9716.512.938.5215.04.628.6515.04.91PEF结合温度处理对牛乳理化指标的影响„处理1：场强70kv/cm,脉冲数为10,70℃下处理70s„处理2：70℃下处理70s,未经电场处理„处理3：巴氏杀菌(62.8℃/30min)PEF结合热处理对乳中假单胞菌的灭活效果（接种量为105cfu/ml）•PEF处理时，假单胞菌的灭活数量随着温度和场强的增加而增加•在没有PEF作用时，只依靠热处理导致杀灭菌数的对数值﹤0.5•温度的增加导致细胞流动性的增强，从而使细胞对PEF更敏感PEF结合热处理后假单胞菌在4℃牛乳中的生长情况（接种量为105cfu/ml）•由于PEF的灭活作用使货架期得到不同程度的延长•在最强PEF结合热处理作用下货架期延长了8天（延长到11天）•未采用PEF处理则货架期不延长•假单胞菌的最初数量减少了2个数量级使货架期延长了2天（使货架期达到13天）PEF结合热处理后假单胞菌在4℃牛乳中的生长情况（接种量为105cfu/ml）连续脉冲电场处理设备„TetraPakandOhioStateUniversity（OSU）„60kV,75KW„400to2000L/h膜过滤技术（MembraneFiltration）„以滤膜作为选择性障碍层,允许某些成分透过而保留混合物中的其它成分„食品工业上,主要用于去除杂质、除菌、浓缩、澄清、分离等„分离过程中,不涉及相变化及化学变化„具有高效、节能、环境友好等特点主要特点膜过滤技术分类„微滤(microfiltration,MF)„超滤(ultrafiltration,UF)„纳滤(nanofiltration,NF)„反渗透(reverseosmosis,RO)„电渗析(electrodialysis,ED)各种膜过滤技术的不同„微滤:利用筛分原理,分离、截留直径为0.05μm到10μm大小粒子的膜分离技术。膜的孔径大约0.1-10μm,其操作压力在0.01-0.2MPa左右。微滤操作过程分死端过滤和错流过滤两种方式。„超滤:超滤的分离原理可基本理解为筛分原理,但有些情况下受到粒子荷电性与荷电膜相互作用影响。截留分子量范围为50-500000μ,相应膜孔径大小的近似值为2-50nm(0.002-0.05μm)。主要用于全奶及脱脂奶浓缩、乳蛋白质的分级分离(Fractionation),或使乳蛋白质与乳清(含乳糖和盐类)分离,其他较大颗粒如微生物或脂肪球也同样被截留。„反渗透:在高于溶液渗透压的压力作用下,只有溶液中的水透过膜,而所有溶液中大分子、小分子有机物及无机盐全被截留住。分离的基本原理是溶解扩散(也有毛细孔流学说)。“膜孔径”为0.1-1nm。乳品工业中主要用于牛奶浓缩及乳清的浓缩分离。各种膜过滤技术的不同„纳滤:纳滤膜即超低压反渗透膜,又称疏松型反渗透膜。纳滤是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术,其截留分子量在200-1000μ的范围内,膜孔径小于2nm,为纳米级。它的分离机理相似于反渗透,是溶解扩散原理。„9无机陶瓷膜过滤技术：几种膜分离技术的分离范围0.5离子、分子量100的有机物溶解扩散渗透蒸发0.5离子、分子量100的有机物溶解扩散反渗透2离子、分子量100的有机物溶解扩散纳滤2-501000~1000000u的大分子、胶体体积大小超滤50-100000.05~10μm的固体粒子体积大小微滤1000固体粒子体积大小粒子过滤孔径/nm分离对象分离机理膜过程膜在乳品工业中的应用MF除菌NF/ED乳清脱矿物质MF/RO乳清中酪蛋白，脂肪和乳糖去除UF废水中乳清蛋白回收UF发酵微生物生长阻滞因子分离UF全奶或奶酪乳清分离RO奶酪乳清浓缩ROUF全奶与脱脂奶浓缩膜过程应用领域高强度超声波技术（HighPoweredUltrasonics）主要特点„高强度超声波（10-1000w／cm2）产生的压力和剪切力，可以破坏微生物细胞„声波频率从20kHz到1000kHz„与加热处理联合作用称为“热超声”（Thermoultrasomification）工艺，能在44℃灭菌。随着该工艺的完善，可作为杀菌的方法之一„发展迅速，已有商业规模的设备得到应用超声技术在乳品加工中的应用„钝化乳中细菌„钝化乳中酶的活力（选择性地失活假单胞脂酶和磷酸酶）„超声波处理后牛乳黏度下降„超声波能加速干酪凝块硬化，增强最终硬度，超声波处理牛乳的凝结时间与凝乳酶的凝结时间是一致的两种不同频率的超声波对不同细菌在肉汤培养基和8%的重组脱脂乳中的影响两种不同频率的超声波对不同细菌在肉汤培养基和8%重组脱脂乳中的影响超声波均质与传统均质对乳脂肪球直径影响的比较工业化的超声波加工设备紫外线技术（UltravioletLight）主要特点„不影响风味„很少影响酶活„具有投资少„能耗少„操作方便、简单„几乎没有环境污染紫外线技术在乳品加工中的应用„对乳中营养素几乎无破坏„对消毒奶、干酪等制品„不仅可以杀灭牛乳中的微生物，保证其产品的保藏性和安全性„还可提高乳制品中维生素D含量„对干酪制造过程中的凝乳也极为有利，其凝乳性状大大提高，凝乳时间缩短紫外杀菌技术的局限性„对酵母和霉菌的杀灭效果较弱，需要其他技术的辅助„可能会使所加工的乳品中产生其他不希望出现的物质（取决于产品成分、紫外波长和氧气的存在与否等因素„紫外灯的强度逐年减弱连续紫外杀菌设备谢谢大家