基于超高压处理牛乳微生物的无损检测方法初探

Preliminary Exploration of Non-Destructive Testing Method for Milk Microorganisms Based on Ultra-High Pressure Treatment

摘要: 乳中微生物的灭活效果是保证产品品质的重要因素。超高压加工技术因其能较好保持食品原有的色、香、味及营养成分而被广泛应用。为提高检测效率及高效适应市场，及时、快速地将无损检测技术引入超高压杀菌，具有重要意义。本文综述了超高压灭菌技术在乳制品方面的研究现状和荧光光谱技术在微生物检测方面的应用，为实施一体化高效超高压杀菌检测设备在控制食品微生物污染和保障食品安全起指导性作用。

Abstract: The inactivation effect of microorganisms in milk is an important factor to ensure product quality. Ultra-high pressure processing technology has been widely used because it can better maintain the original color, aroma, taste and nutritional components of food. In order to improve the detection efficiency and adapt to the market efficiently, it is of great significance to introduce non-destructive testing technology into ultra-high pressure sterilization in a timely and rapid manner. This article reviews the research status of ultra-high pressure sterilization technology in dairy products and the application of fluorescence spectroscopy technology in microbial detection, which plays a guiding role in the implementation of integrated high-efficiency ultra-high pressure sterilization and detection equipment in controlling food microbial contamination and ensuring food safety.

1. 引言

牛乳作为一种营养价值高且丰富的天然食品，是人们生活中必不可少的营养来源。奶制品中含有丰富的营养，在生产和运输的过程当中，十分容易受到细菌的感染并发生变质，进而影响奶制品的口感与营养价值，所以对奶制品进行灭菌处理十分必要。超高压技术处理牛乳对牛乳中的微生物有着良好的杀灭作用，并对牛乳品质影响非常小，甚至可以改善牛奶等含脂产品的功能特性，使得乳脂的创新、稳定、多样化和加工具有重大的可能性[1]。

为提高检测效率以及更适应市场和实际应用的条件，食品微生物快速检测技术逐渐发展起来。无损检测技术在食品的快速检测，筛选分级，品质鉴定以及安全分析等方面已有应用[2]-[4]。本文综述了牛乳微生物的杀菌方式、超高压杀菌技术特点与现状，以及光谱技术在微生物中的应用，对于控制食品微生物污染和保障食品安全具有一定的理论指导作用。

2. 微生物处理方案

2.1. 热杀菌技术灭菌

热杀菌技术分为干热杀菌技术和湿热杀菌技术，热杀菌技术通常都是以蒸汽，热水为介质来进行杀菌，其处理条件主要是加热温度与加热时间。因其简易实用、灭菌效果好、技术成熟等优点在食品工业中被广泛应用。例如在蔬菜方面，葛青青等(2022)利用热杀菌工艺来优化即食紫菜的质构、感观、营养品质[5]。在即食食品方面，热杀菌技术应用也十分广泛，例如候浩然(2022)通过热杀菌技术来优化即食小龙虾的杀菌工艺以及减少过度杀菌对虾仁肉质中蛋白质和脂肪的破坏[6]。在罐头食品方面，热杀菌技术能够起到良好的杀菌效果，都是运用热杀菌技术进行处理，来延长其储存周期。

但热杀菌技术并非是万能的杀菌工艺，宋玉申等(2022)的实验探究中发现高温灭菌下不同杀菌温度及时间均会影响鸭脖中脂肪、蛋白质等营养成分[7]。在一部分果蔬饮品方面，采用传统果蔬汁的热杀菌工艺虽能够杀灭果蔬汁产品中的绝大部分微生物，但会造成食品中热敏成分的破坏，并对产品的色泽、味道和口感产生不良影响，例如总酚和维生素C等抗氧化成分会大量流失，产品色泽会变暗、味道会变得酸涩且口感会变得粗糙，李靖等(2022)在研究中使用高温灭菌来处理刺梨汁时发现刺梨汁中总酚、VC质量浓度及SOD活力与抗氧化活性均发生下降[8]。

2.2. 冷杀菌技术灭菌

冷杀菌技术目前分为三类技术：紫外线杀菌技术、超声波杀菌技术和超高压灭菌技术，目前这些技术在环境净化、包装材质杀菌、废水处理、饮用水的消毒、乳制品消毒、水产品消毒等方面有了一定的应用。其中超高压杀菌对食品中的共价键几乎无影响，且色素、风味物质等损失较小。超高压处理不局限于食品外观形状大小，压力传递均匀，使得内外效果一致。明亮等(2021)发现在对牛乳进行超高温处理之后发现高温灭菌会对牛乳中的氨基酸含量造成下降[9]，于鹏等(2016)的研究中发现牛乳不饱和脂肪酸总量在超高压作用后明显增加，而在热处理后含量显著减少[10]。

3. 超高压处理技术

3.1. 超高压技术概述

超高压技术是一种新型的用于灭活食源性病原菌腐败微生物的非热食品保存技术，该技术的基础是在比热加工温度低得多的情况下应用50~1000 MPa的静水压，对食品的营养和感官品质损失最小[11]。目前超高压技术应用的食品类型当中包含大米等粮食产品、肉类、家禽、蔬菜、果汁、乳制品。但在最新研究当中超高压技术不适用于内部带有气孔的食物，在加工过程当中极易被碾压粉碎，对于奶制品等液体产品灭菌效果更好。

3.2. 超高压灭菌牛乳的研究进展

不同状况下的超高压处理对微生物的灭菌效果也不同，压力大小，处理温度，保压时间都对其影响颇大，在超高压处理期间保持温度对细菌灭活有着显著的影响，张雪颖等(2022)的研究中表明当产品温度保持在20℃~35℃时，超高压技术对细菌灭活效果最低；但超过35℃时，效果明显，这种现象可能是脂膜在较高温度下容易发生的相变所致[12]。

一般来说随着压力增加，杀菌效果会随之提高，但沈梦琪等(2016)的实验研究中指出在超高压处理牛乳的过程中在低压处理阶段(100~300 MPa)，细菌菌落总数在低压处理后反而比未处理前增加了[13]。艾正文(2022)的研究中发现经过超高压处理后，牛乳中天然含有溶菌酶、乳过氧化物酶和磷酸酶等和微生物产生的蛋白酶等均会有所失活[14]。这些对于牛乳风味、品质、营养成分都会有所保障。

但被超高压灭菌之后的牛乳当中，成分并不是一成不变的，赵旭飞等(2020)利用超高压杀菌技术对牛乳进行处理并对其感官和理化特性进行研究，研究表明在经过超高压灭菌处理之后，牛乳的物理感官性质会有所改变，牛乳会由白色浑浊状转变为透明或者半透明的淡黄色状，色泽的改变主要是由脂肪球粒径和酪蛋白胶束性质的变化引起的[15]。张勇等(2007)的研究中表明超高压处理后的牛乳中钙离子含量大幅上升，并且乳清蛋白的变性程度极大的降低[16]。姜雪等(2015)利用超高压处理牛乳，研究表明，在300 MPa的压力，5分钟的保压时间的条件下，不仅杀灭了绝大多数的细菌，而且牛乳中的营养成分并没有同热杀菌乳一样大幅流失反而得到了极大程度上的保留[17]。国内学者Hu等(2017)的研究进展中表明在未处理牛乳样品中检测到44种风味化合物，主要为芳香烃类、脂肪烃类和酸类物质，经600 MPa、5 min高压处理后，牛乳中检测到更多种类的风味物质，其中脂肪烃类和酸类化合物含量显着提高，而芳香烃类化合物含量显着降低[18]。

3.3. 超高压灭菌牛乳目前存在的问题

超高压灭菌技术是近几年才发展起来的新科技，但由于对此研究的时间和投入的应用较少，目前还存在着诸多需要改进和克服的问题：第一方面是超高压技术研究成本高，技术体系不完全，碍于技术因素，牛乳的超高压灭菌还处于高速发展阶段，但相信在技术成熟后会大规模应用于牛乳杀菌过程中[19]。第二个方面的问题是候养全等(2018)的研究中指出超高压灭菌技术遵循着帕斯卡定律，所以对于硬质材料的包装产品将会受到极大的限制[20]。第三个问题是超高压技术灭菌效果固然好，但在灭菌之后，牛乳的微生物状况需要及时检测，且对牛乳本身不能有影响，需要一种快速、无损检测技术。

4. 无损检测技术

荧光光谱技术作为一种无损检测技术目前已应用于诸多领域的检测与分析，尤其在食品成分检测方面[21] [22]。常规的微生物生长检测方法以平板计数法和比浊法使用最为广泛，此类方法具有步骤繁琐、耗时长，不能实时监控微生物生长状况等缺点[23]，但荧光光谱技术高效、快速。国外学者Leblanc (2006)等[24]针对芳香族氨基酸、核酸、色氨酸和NADH成分分别采用相应激发波长的激光器(250，270和316 nm)进行激发，采集了25株细菌的荧光光谱，并结合主成分分析方法成功实现了细菌在种、属和株水平的区分鉴定。刘雪茹等(2021)通过三维荧光计数采集在不同贮藏时间对黄瓜表面的微生物信息，在对黄瓜表面荧光光谱中微生物信息判别的基础上，实现黄瓜贮藏过程中基于微生物三维荧光信息的微生物数量变化监控模型的构建，成功对黄瓜表面微生物数量进行了实时监控[25]。

三维荧光光谱弥补了激光诱导荧光法检测复杂样本时繁琐的缺点，同时也比同步荧光光谱法时测量样本时更加精确。三维荧光光谱法扫描得到的样本荧光光谱不仅有着多维度，多参数的信息，而且可以对检测样本进行定量定性的分析，更加方便研究[26]。刘璐(2010)通过三维荧光光谱分析了废水生物处理过程中微生物产生的四种荧光物质的多方面信息，研究出了一种简便快速且不需外加试剂的检测反应器出水中微生物代谢产物的方法[27]。

5. 结语

随着国内非热加工技术的发展，超高压加工技术也成为研究热点之一。超高压灭菌牛乳能够更好地满足人们对于食品安全和健康的要求，而三维荧光检测快速、准确，能够应对快速多变的食品市场需求，因此基于超高压技术的无损检测技术对开发一体化高效超高压灭菌杀菌检测设备在食品微生物污染中的应用具有非常重要的意义。

基金项目

安徽省教育厅重大基金项目(NO. 2022AH040154)、校级重点研究项目(NO. 2022XJZD22)。