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顾佳升:牛奶加工单元操作 ——牛奶的热杀菌

2016-07-19    来源:本站原创   访问量:258 [ 字号: ]

本文作者:中国农 垦乳业联盟专家委员会专家 顾佳升

牛奶细菌的来源

牛奶在 健康的乳房里生成之初是无菌的,但是在 挤出来之前也有可能被存在于空气、土壤等 外部环境里的细菌污染。细菌很小,表观直径约为0.6 μm,比脂肪球小多了(图1)。


图1 细菌与 乳脂肪球大小的比较

除非挤奶操作,平时乳 房的乳头管被括约肌所封闭,牛奶不会漏出来,但是密 封得并不完全严密,微小的细菌可以“钻”进去。因此在 乳房乳头管里的牛奶实际上并不是无菌的(图2)。


图2 健康乳 房内初始细菌的分布

侵入牛 奶的细菌都是不速之客,其中大 部分能够在牛奶里生存并进行繁殖,也有少 数细菌因不适应而死亡。为了研 究牛奶里的细菌,我们采 用了许多微生物学的专业术语,“细菌总数(TBC)”是其中最常用的一个。其含义 是当牛奶样品接种到标准配方的营养琼脂平板上后,在有氧 气存在的情况下,经过37 ℃、48 h培养,肉眼能 够看见的由细菌生长形成的菌落数量;菌种不同,菌落的 形态可能不尽相同,但有一个算一个。有时也称其为“菌落总数”,或者“杂菌数”。
理论上来说,接种到 平板上的每一个细菌个体都有可能通过竞争,在培养 的过程中获得营养而生长,形成一 个个来自同一母体细菌的菌株群,每个菌 株群包含着数量巨大的细菌个体。控制合 适的样品接种浓度,可以得 到相互不重叠的由单个细菌形成的菌株群。人的肉眼所见的菌落,均是超过10 万个以 上细菌所形成的菌株群。菌株群 就是我们所说的菌落。一个菌落表示为1 CFU,常用的 细菌总数单位是每毫升或每克牛奶里的CFU数,表示为“CFU/mL”或“CFU/g”。以在同 等条件下计数得到的测试结果作为一个相对标准,可以从 总体上来判定牛奶被环境细菌污染的程度。
挤奶操 作实践告诉我们,无论是 机器挤奶还是人工挤奶,在开始 挤奶时都需要手工把最初“三把奶”废弃掉,以便让 后续无菌的牛奶将乳头管冲洗干净。即使如此,还是难 以防止来自外部环境的细菌进入牛奶。据测定,在一般 控制的卫生条件下,刚挤出 来的牛奶细菌数一般在300~3 000 CFU/mL。
一个重 要的事实是牛奶自身有“自然抑菌期”,意思是 即使不作任何处理,入侵到 刚挤出来牛奶里的细菌在这个阶段里也不会生长。表1展示了 牛奶挤出之后的细菌总数变化,可以看出,在生牛奶挤出之后的5 h里,细菌生 长受到了明显抑制,这也是生牛奶品质的“黄金期”。而生牛 奶是世界上制作“生奶制品(Raw Milk Product)”的唯一原料,其中最 大宗的产品就是高度成熟的奶酪。至于足 够新鲜的生牛奶能够“抑菌”的确切原因,虽然有许多说法,但至今仍不甚明了。

另一个 更重要的事实是:过了自然抑菌期,牛奶里 的细菌将以平均每20 min翻一番的速度增殖,即以2n的倍数迅速增加。假定初 始时牛奶里只有1 个细菌,2 h后将成为128 个,不到7 h就成上百万之势了,因此牛 奶将迅速变质腐败。尽管牛奶中的大部分细菌并不是致病菌,但是只 要混杂了少量人畜共患的致病菌,直接喝 生牛奶都将是一件非常危险的事,而且变 质腐败后的牛奶失去了诱人的滋味和气味。
挤出来 的牛奶带着奶牛的体温,为38 ℃,其可靠 的自然保存时间只有4~6 h。牛奶阶 段性的自我保护能力被称之为“自然抑菌(Germicidal)”作用,其客观 效果是保证了奶牛作为一个物种能够在自然界不断繁衍,同时也 为人类商业化利用牛奶提供了可能性。但是自 然抑菌期实在太短了,导致加 工规模无法做大。是否有 办法延长抑菌的周期呢?经过探索,发现牛 奶在挤出之后如果立即冷却,可以有 效延长抑菌时间,图3展示了 不同冷却储存温度下牛奶细菌的增殖情况。

图3 在不同 冷却储存温度下牛奶细菌的增殖情况

不过储 存温度不能降到牛奶的冰点以下,因为冻 结会伤害牛奶里的活性营养成分。通常,在0~10 ℃温度下储存36 h,细菌总数可以控制在30 万CFU/mL以下,这是制 备符合国际标准奶制品的最低要求。因此,从牛奶 挤出到投料加工的“36 h”是商业化利用牛奶的“黄金期”。处于“冷链”保护之下的生牛奶,是制作各类“奶制品(Milk Product)”无可替代的重要原料,同时生牛奶的“36 h”商业黄 金期也是制约乳品企业建设规模的一个绕不过去的约束条件。
由此,全世界 牛奶加工者形成了一个基本共识:牧场是 加工厂的第一车间,而且加 工厂不宜建设得太大,以致远离了牧场。这是因 为牛奶的抑菌作用只是抑制细菌的增殖,并没有 杀灭细菌的效力,更没有 破坏细菌新陈代谢产物的能力,而细菌 的代谢产物富含分解牛奶各种成分的酶,在很多 情况下将导致牛奶加工的失败,从而无 法保证奶制品的质量。而且一 旦混杂有致病菌,其代谢 产物还含有毒素,由于加 工过程没有能力消解这些毒素,因此必 将无从保证奶制品的安全。这是人 们非常注重生牛奶的质量,严格防 止细菌入侵和在其中繁殖的根本原因,也是重 视奶源基地建设的根本原因。

牛奶细菌的分类

细菌分 类是普通微生物学研究的内容。《伯杰氏 鉴定细菌学手册(Bergey's Manual of Determinative Bacteriology)》(1923年出版)中的分 类法是国际上公认的科学权威的方法。它是按 生物学普遍适用的原则,主要根 据细菌的特征来进行分类的一种方法,将细菌系统地分成科、属、种,当然完 全适用于牛奶里的细菌。但是从 牛奶加工业的实际出发,在实践 中更多采用的是按照其它原则确立的分类法。其中之 一是依据细菌对牛奶不同成分的作用而分类的一种体系,还有是按照不同“细菌生长温度”分类的 第二种实用体系,第三种 分类法是针对传染病专用的致病菌,尤其是 传染人畜共患疾病的致病菌。
根据对 牛奶不同成分的作用而分类的方法,是比较容易理解的。由于牛 奶的主要成分是蛋白质、脂肪和乳糖,因此将 细菌分别分类为蛋白质分解菌、脂肪分解菌和乳酸菌。这种分 类法不仅为消除有害菌指明了方向,也为筛 选有益菌和专门的发酵菌提供了方向。
另外,有必要对“细菌生长温度”分类的 方法加以简单说明。所谓“细菌生长温度”,是指每 种细菌只能在一定温度范围里生长,超越了该范围,细菌将不能繁殖,甚至死亡(图4)。对于不 同细菌的生长温度,牛奶加 工业中普遍采用的具体标准如下(图5):适宜生长温度低于7 ℃的是耐冷菌(Psychrotrophic),7~20 ℃的是嗜冷菌(Psychrophilic),20~45 ℃的是嗜温菌(Mesophilic),45~70 ℃的是嗜热菌(Thermophilic),高于70℃的是耐热菌(Thermoduric)。


图4 细菌生长的温度范围

图5 按适宜 生长温度对生牛奶细菌的分类系统

对于耐热菌株来说,在更高 温度下才可能停止繁殖和生长,它们有 一种特殊的本领,即变成 耐受力极强的芽孢体,一旦生存环境恢复,它们也 就恢复了繁殖力。对于嗜冷(Psychrophilic)或嗜温(Mesophilic)菌株来说,在更低温度下,尽管不 是适宜的生长温度,但仍具 有一定的繁殖能力。在这个分类体系中,我们应 该高度关注其中的两端,一端是耐冷菌(Psychrotrophic)的活动,因为一 般认为这是储存牛奶的安全温度,另一端 是耐热菌的耐受力,因为一 般认为这是杀灭细菌的安全温度。

牛奶热 杀菌的分级处理

如前所述,牛奶一 旦从奶牛身上挤出而失去了乳房的保护之后,非常容 易遭受环境中以细菌为主的微生物侵袭,而且微 生物中难免伴有多种致病菌,尤其是 传染人畜共患疾病的致病菌。对于城镇居民而言,直接饮用生牛奶,包括未 经热杀菌的奶制品如稀奶油等,都具有很高的风险。因此为了食品安全,采用适 当的工艺技术对牛奶及其制品进行杀菌处理是必不可少的。而在超声波、紫外线、微波、辐照、高压等 多种杀菌方法中,获得商 业上普遍使用的,还只是 以热水和水蒸汽为热源的传统热处理方法。
细菌总 数的检测能够判断环境细菌污染牛奶的相对程度,但是不 能提供环境细菌的分类信息,也没有 是否含有致病菌的任何信息。根据长 期以来人类消费牛奶的经验,一旦牛 奶细菌总数超过10 万CFU/mL,致病菌 存在的概率就达到了足以威胁人们健康的程度。牛奶中 致病菌研究的结果见表2。


1856年,法国科学家路易·巴斯德(Louis Pasteur)在人类 历史上第一次提出了保证安全饮用牛奶的“巴氏消毒法”:温度为145~150 ℉(相当于62.8~65.6 ℃),保持30 min。同时他还指出:若不足145 ℉则毒菌未能杀尽,若超过150 ℉则毁损牛奶活性成分,导致滋养全失。所谓“毒菌”是当时的说法,现在应 该理解为致病菌。巴氏消毒法自1895年起得 到了商业化大规模应用。一个半 世纪以来的实践,充分证 明了这个方法对保证安全饮用牛奶的可靠性。
目前微 生物学对杀菌规律的研究已经非常成熟了。人们发 现不管采用哪种杀菌方法(如化学法、射线辐照法、加热法),一次杀 菌操作的结果是只能按某一比例杀死部分细菌,并不是全部。如果将 残存下来的细菌再次采用同样的方法进行第二次杀菌,结果仍 是按同一比例杀死部分细菌,并不是全部。杀菌比例越大,意味着 所采用杀菌方法的强度越强。所谓杀菌强度,在化学 法里是指化学品浓度和作用时间的组合,在放射 辐照法里是指放射源强度和辐照时间的组合,在加热 法里是指加热温度和在该温度下保持时间的组合。
杀菌规 律不仅已经由细菌总数的检测给出了证明,而且人 们也总结出了经验公式。前面的 内容中提到过细菌增殖速度为指数2n的倍数,而细菌 的杀菌规律也服从对数规律,杀菌效 率的数学表达式是:
杀菌率(%)=100%×(LogN0-LogNt)/LogN0
其中:N0—投料时 牛奶的初始细菌总数;
Nt—经过保持时间为t的一次杀菌后,牛奶的残存细菌总数。
一般情况下,生牛奶 里的芽孢数量非常有限,不足以威胁健康。经巴氏消毒处理后,致病菌都被杀灭了;在冷藏 条件下存储数天,巴氏消 毒牛奶的细菌总数不会超过3 万CFU/mL,不足以 改变色香味的程度。换而言之,63 ℃、30 min或72℃、15 s的热处理强度,足以保 证牛奶及其制品的安全性和优良品质了。
但是对 于长保质期的奶制品,例如无 须冷藏保存的灭菌牛奶,巴氏消 毒的热处理强度显然还是远远不够的。一方面 是因为芽孢保留着繁殖能力,常温条 件下在长达数个月时间里,完全可 能增殖到足以威胁公众健康的程度;另一方面,牛奶中 还依然存在其它耐热的非致病菌,哪怕只有几十 CFU/mL的残留,它们将 继续利用牛奶的营养而快速生长;还有,无论是 牛奶里原来存在的酶,还是由 细菌活动而产生的酶,它们大 多数具有耐热性,巴氏消 毒虽然能够杀灭大部分细菌,但不足 以抑制和钝化酶的活性。总之,在长长的保存期内,残留的 细菌和保留活性的酶将继续活动,从而显 著改变牛奶的味道和质地。对于长 保质期的奶制品来说,需要更 强更彻底的热处理。
然而,随着热 处理强度的提高,在杀灭 更多细菌的同时,也会引 发牛奶内部成分许多复杂的化学变化,从而引 起牛奶色香味的显著变化。20世纪70年代之前,人们认 为牛奶里的不少营养成分虽然对热敏感,例如维 生素等物质受热容易发生变化、蛋白质 与乳糖会发生美拉德反应而出现“焦糖化”现象,但是所有这些变化,似乎与 其它食物所发生的变化一样,都很寻常。然而现 在的认识有了很大的改变。新发现的证据表明,随着牛 奶灭菌强度的提高,美拉德 反应的深度发展会产生有毒有害物质,如羟甲基糠醛等。因此,国际上将传统的“牛奶对热敏感”说法,修正为“防止热伤害牛奶”了。主要原 因在于牛奶中蛋白质的变化,表现为 某些蛋白质自身结构的变化和蛋白质之间的相互交联变化2 个方面。
人们很 早就了解到乳清蛋白受热后,非常容 易发生结构变化,本身的 胶体状态变得很不稳定,例如鸡 蛋清投入热水中立即就发生絮凝。但是牛 奶中的乳清蛋白似乎要稳定得多,即使加热到100 ℃以上,也不至 于出现明显的絮凝。其实牛 奶中的乳清蛋白也同样发生了变化,只不过 牛奶中的乳清蛋白在絮凝之前,已经与 牛奶中的酪蛋白发生了交联反应。这虽然 避免了絮凝的发生,但是乳 清蛋白发生了更为复杂的结构性变化。例如,由162 个氨基酸组成的β-乳球蛋白结构里含有2 个“分子内双硫键(-S-S-)”和1个游离的硫氢键(-SH)。温度上升到65 ℃之后,β-乳球蛋 白氨基酸链的空间构象将发生偏转位移(蛋白质变性)。随着温度升高,原来处 在内部位置上的硫氢键基团和双硫键基团开始外露,并且部 分发生断裂和重组,形成H2S,即硫化氢分子。然后,β-乳球蛋 白颗粒的胶体状态被破坏,相互聚集引起沉淀。鸡蛋清 投入热水立即就发生明显絮凝的原因也在此。

进一步研究得出了图6“温度/时间与β-乳球蛋 白变性率之间的关系曲线”和图7“加热温度与游离-SH基团的关系曲线”,分别显 示了热处理强度与β-乳球蛋 白变性率和游离-SH基团之间的数量关系。

图6 温度/时间与β-乳球蛋 白变性率之间的关系曲线图


图7 加热温度与游离-SH基团的关系曲线

但是在 牛奶加热的过程中,我们并没有看到β-乳球蛋白沉淀的发生,而且在 饮用牛奶时也感觉不到硫化氢的异味。看不到变性β-乳球蛋 白发生沉淀的原因,是在沉淀发生之前,变性的β-乳球蛋白“冒充”酶而“粘附”到κ-酪蛋白的第105位和第106位氨基 酸的结合点上去了。而这样的“粘附”既是加工灭菌奶、酸奶等 产品获得成功的技术关键,也是导 致制作奶酪等产品失败的一个关键,因为凝 乳酶的作用点被变性的β-乳球蛋白“粘附”上去而被“屏蔽”了。
至于为 什么感觉不到硫化氢所特有的臭鸡蛋味,是因为 其被溶解在牛奶里的微量氧所氧化了。不过我 们依然可以感觉到灭菌牛奶带有令人不快的“蒸煮味”,当然这是难以接受的。然而,为了得 到长保质期的灭菌奶,这种“蒸煮味”却是必须容忍的。因为变性的β-乳球蛋白“冒充”酶而“粘附”到κ-酪蛋白表面上去,是改善 牛奶蛋白质整体热稳定性的唯一有效办法。更何况 在常温下保存数周之后,随着氧 化作用的持续进行,“蒸煮味”也会逐步淡化。因此,出于不同的需要,对牛奶 的热处理不仅需要按照强度分级,而且还 需要使用一定的技巧和方法。
在热处 理的技巧和方法中,最重要的是让牛奶在80~90 ℃温度区 间停留一个适当的时间,让β-乳球蛋 白发生适当的变性,并有足 够的时间和机会“粘附”到κ-酪蛋白上去。否则,如果直接快速升温到130 ℃以上的话,不仅β-乳球蛋 白会出现大面积沉淀,连酪蛋 白也将发生变性和沉淀。表3列举了 国际奶品联合会(IDF)认定的4 种热杀菌工艺中的3 种,因为介 于巴氏杀菌和间接法超高温灭菌之间的“直接法超高温灭菌”,在我国 至今尚无实际应用。


按照国际标准的定义,所谓“热处理”指的是“强度不 低于巴氏杀菌的所有加热操作方法”,都是以 杀灭致病菌为基本目标的。为了研 究热处理之后牛奶里的细菌活动,尤其是致病菌的情况,仅仅使用术语“细菌总数”就显得不够了。如前所述,不是牛 奶里的所有细菌都能够在规定的培养条件下生长,例如温 度另有要求的细菌、厌氧的细菌,以及有 特殊营养要求的细菌等。如果需 要了解这些特定细菌的情况,必须改变培养的条件,或者营养平板的成分,以获得 这些特定细菌的菌落数。
不过,致病菌 的检验需要对各种致病菌的生理特性和生长形态拥有透彻的了解,然后才 能提供它们各自合适的生长条件。致病菌种类不少,因此实 际操作起来过程非常繁琐和冗长,完成法定的操作程序,一般需要几周的时间。只有在 必要的情况下才有针对性地按程序进行操作。
在实际控制中,更多地 使用另一个微生物学术语“大肠菌群”来判断 致病菌危害的总体可能性。所谓的“大肠菌群”也不是 细菌分类学上的规范名称,不代表 某一个或某一属细菌,指的是 具有某些共同特性的一组与粪便污染有关的细菌。大肠埃希氏菌、柠檬酸杆菌、产气克雷白氏菌、阴沟肠 杆菌等是组成这个群体的主要成员。它们的共同特性是:①经过不 低于巴氏杀菌强度的热处理之后都理应被全部杀灭;②在空气、水、尘埃等 自然环境里普遍存在;③在一定 培养条件下能发酵乳糖,产酸产气。
由于牛 奶里绝大部分常见致病菌的热死条件与大肠菌群非常接近,所以可 以由大肠菌群的杀灭程度来估计致病菌是否存在。由上述特性①可知,大肠菌 群适合用来判断热处理过程是否有效。由特性②可知,大肠菌 群适合用来判断终端产品和中间产品的安全性,这是因 为只要经过最低强度的巴氏消毒后,大肠菌 群理应不再存在,即致病菌也不再存在,如果还存在,那么只有一种可能:完成杀菌之后,在灌装、运输、储存期间发生了“第二次”污染。总之,如果出 现大肠菌群超标,指向的 都是致病菌存在的可能。由此可见,检验大 肠菌群就是给出了一个“指示信号”。特性③则给出 了建立检验操作方法的途径。与致病 菌的检验方法相比,检验大 肠菌群要简单易行得多,完成一 套法定的操作过程仅需几天的时间,如果加以改进,检验时 间还可大幅度缩短,因此,检验作为“指示信号”的大肠 菌群得到了广泛应用。
综上所述:评估生 牛奶细菌学质量的主要指标是细菌总数;评估热 杀菌牛奶细菌学质量的主要指标是细菌总数、大肠菌群和致病菌,但有时只用其中的1 个或2 个也足以说明问题。


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