单循环和双循环高压处理（HPP）的优化：用于提高牛奶的微生物安全性和蛋白质质量

《Journal of Dairy Science》：Optimization of single- and dual-cycle high pressure processing (HPP) to process bovine milk for microbial safety and protein quality

高压处理单次与双周期对牛奶细菌灭活和蛋白质保留的影响研究。比较单次和双周期HPP（350-600 MPa，4-12分钟）及HTST（72°C，15秒）对李斯特菌、金黄色葡萄球菌等病原体的灭活效果，发现双周期HPP在相同总处理时间下对金黄色葡萄球菌灭活效果更优（>5 log），但对李斯特菌效果相似。然而所有HPP处理均导致乳铁蛋白（LF）等免疫球蛋白显著降解（LF保留率15.4%-84.2%，IgA 14.4%-30.9%），HTST保留率更高。HPP存在蛋白质结构破坏与微生物安全性的权衡问题，需优化参数平衡两者。

　　牛奶是一种营养丰富的液体，富含具有生物活性的蛋白质，这些蛋白质对免疫功能和生长有重要作用。传统的热处理灭菌方法（如72°C下持续15秒的高温短时处理，HTST）虽然能有效保证牛奶的微生物安全性，但会破坏对热敏感的蛋白质结构。因此，寻找一种非热处理的替代方法成为研究重点。高压处理（HPP）作为一种非热处理技术，能够有效减少微生物数量，同时尽可能保留牛奶中的天然生物活性。然而，HPP对蛋白质结构的影响，特别是在多轮压力处理中的表现，仍需进一步探索。本研究旨在评估单轮和双轮HPP处理对牛奶中细菌灭活和蛋白质保留的效果，并将其与行业标准HTST处理进行比较。

### 研究背景与意义

牛奶不仅是哺乳动物幼崽的主要营养来源，也因其独特的营养组成和多种生物活性蛋白而成为健康饮食的重要组成部分。这些生物活性蛋白包括乳铁蛋白（LF）、免疫球蛋白（如IgA、IgG和IgM）等，它们在增强免疫力、调节生长和改善肠道健康方面具有重要作用。因此，确保这些生物活性蛋白在加工过程中的完整性对于最大化牛奶的健康效益至关重要。然而，传统的热处理虽然能有效杀灭病原菌，但其高温环境会破坏一些蛋白质的结构，导致其生物活性下降。

为了减少对蛋白质的破坏，同时确保牛奶的安全性，HPP作为一种非热处理技术被广泛研究。HPP利用高静水压力（通常为400-600 MPa）来灭活病原体，其机制主要是通过破坏细菌细胞膜的结构，形成膜孔，从而影响细胞的渗透压、pH值和离子梯度，导致细胞死亡。HPP在灭活细菌的同时，通常对蛋白质结构的破坏较小，这使其成为一种有潜力的替代技术。然而，不同细菌对压力的敏感性存在差异，因此需要对HPP的处理参数进行优化，以达到既安全又保留生物活性的目的。

### 研究方法

本研究使用了两种来源的原始牛奶样本。其中，来自Santiam Dairy的牛奶仅用于微生物灭活研究，而来自加州大学戴维斯分校奶牛场的牛奶则用于评估HPP对蛋白质保留的影响，以及与HTST处理的比较。HTST处理采用72°C下持续15秒的加热方式，随后冷却至18°C并装瓶保存。所有样品在处理后被冷冻并在运输过程中保持低温，以减少对蛋白质结构的额外破坏。

为了评估HPP的效果，研究采用了单轮和双轮处理方式。压力范围为350-600 MPa，处理时间从4到12分钟不等，温度保持在30°C。处理后的样品与未处理的原始牛奶样本一起进行比较，以验证运输和冻融过程对蛋白质保留的影响。此外，研究还引入了细菌培养和灭活测试，包括使用不同种类的病原菌，如致病性细菌（如**李斯特菌**和**金黄色葡萄球菌**）以及形成孢子的细菌（如**枯草芽孢杆菌**和**蜡样芽孢杆菌**）。

### 微生物灭活效果

研究结果表明，双轮HPP处理在某些情况下比单轮处理更有效。对于**金黄色葡萄球菌**和**枯草芽孢杆菌**，双轮处理显著提高了灭活效果。例如，在600 MPa下，双轮处理时间仅为4分钟，就能实现比单轮处理时间8分钟更高的灭活率。然而，对于**李斯特菌**和**蜡样芽孢杆菌**，双轮处理并未显示出显著的灭活优势。这可能与这些细菌的细胞结构有关，如**金黄色葡萄球菌**的球形结构可能使其更容易受到压力的影响，而**李斯特菌**的杆状结构可能使其具有更高的抗压能力。

在处理过程中，温度的变化也对微生物灭活效果产生了一定影响。由于压力处理过程中会伴随一定的绝热加热，使得样品温度上升至39.5°C左右。虽然这种温度变化相对温和，但结合压力处理可能会加速蛋白质的变性过程。因此，如何在保证微生物灭活的同时减少对蛋白质的破坏，成为研究的关键。

### 蛋白质保留情况

在蛋白质保留方面，HPP处理对乳铁蛋白（LF）、免疫球蛋白（如IgA、IgG和IgM）均产生了显著的破坏。例如，LF的保留率在某些处理条件下降至53%-84%，IgA的保留率下降至86%-95%，而IgM的保留率则降至81%-98%。相比之下，HTST处理对这些蛋白质的保留效果更佳，特别是在IgG的保留方面，HTST处理的保留率高达84.91%，而HPP处理的保留率则显著降低。这可能是因为HTST处理虽然温度较高，但处理时间较短，从而减少了对蛋白质结构的破坏。

此外，研究发现，蛋白质的保留率与处理压力和时间呈负相关。随着压力和处理时间的增加，蛋白质的保留率逐渐下降。例如，在600 MPa下，处理时间越长，蛋白质的变性程度越高。因此，优化HPP的处理参数，如降低压力或缩短处理时间，可能是提高蛋白质保留率的关键。

### 结论与展望

本研究结果显示，虽然双轮HPP处理在某些情况下能有效提高微生物灭活效果，但对蛋白质的破坏依然显著。特别是对于乳铁蛋白、IgA和IgM，其保留率远低于HTST处理。因此，尽管HPP是一种有潜力的非热处理技术，但其在牛奶加工中的应用仍需进一步优化处理参数，以减少对蛋白质的破坏，同时确保微生物安全。

未来的研究应重点关注如何通过调整HPP的温度、压力和处理时间，找到最佳的平衡点，既能有效灭活病原菌，又能最大程度保留牛奶中的生物活性蛋白。此外，研究还应扩展至其他食品基质，探索HPP在不同食品中的应用潜力。同时，结合其他非热处理技术，如超声波或电场处理，可能会进一步提高牛奶的加工效率和质量。

总之，HPP作为一种非热处理技术，为牛奶加工提供了一种新的选择。然而，要实现其在实际生产中的广泛应用，仍需进一步研究和优化处理参数，以确保在保留牛奶生物活性的同时，达到食品安全的要求。这不仅有助于提高牛奶的营养价值，也为开发功能性食品提供了新的方向。