热柱面型聚焦超声作为新型牛奶巴氏杀菌技术的应用：微生物灭活、免疫球蛋白G保留及理化特性研究

《Ultrasonics Sonochemistry》：Application of thermo-cylindrical type focused-ultrasound as novel milk pasteurization: microbial inactivation, immunoglobulin G retention, and physicochemical characteristics

本研究针对传统低温长时间巴氏杀菌法（LTLT，63?°C，30?min）可能导致热敏性营养成分（如免疫球蛋白G，IgG）变性等问题，探索了热柱面型聚焦超声（55?°C，30/100?W）作为替代技术的潜力。结果表明，聚焦超声处理（100?W，30?min）可有效灭活牛奶中的总需氧菌、大肠菌群、大肠杆菌O157:H7和李斯特菌，同时显著保留IgG活性（81.00%），并改善乳脂肪球分散稳定性。该技术为开发低热损伤、高营养保留的牛奶巴氏杀菌工艺提供了新思路。

　　

牛奶被誉为“最接近完美的食物”，富含蛋白质、脂肪、碳水化合物等宏量营养素，以及维生素A、D、B₁₂和钙、钾、磷等矿物质。更重要的是，牛奶中含有免疫球蛋白（IgG）、乳铁蛋白、乳脂球膜蛋白等多种生物活性成分，这些成分在免疫调节和肠道健康维护中发挥着关键作用。然而，全球人均牛奶消费量却呈现下降趋势，2022年下降了0.2%。这一现象背后，消费者对健康与保健的关注日益增强，预计到2030年，这一趋势将增长10%。因此，乳品行业迫切需要开发既能确保微生物安全，又能最大限度保留牛奶中热敏性营养成分的新型加工技术。

目前，乳业广泛采用低温长时间巴氏杀菌法（LTLT，63°C，30分钟）来处理牛奶。虽然这种方法能有效灭活微生物并延长保质期，但其较高的处理温度会导致蛋白质变性、热敏性维生素降解，甚至产生不良风味。尤为重要的是，LTLT处理会引起牛奶中免疫球蛋白G（IgG）的变性，从而降低其生物活性。IgG是牛奶中重要的免疫活性成分，能够阻止病原体吸附于上皮表面，并通过人体小肠中的Fc受体介导免疫复合物的吞噬，进而增强免疫力。因此，开发一种能够在较低温度下实现有效杀菌，同时更好保留IgG等生物活性成分的巴氏杀菌技术，对提升乳制品营养品质和健康价值具有重要意义。

超声波巴氏杀菌技术作为一种颇具前景的替代方案，已展现出在不引起牛奶品质劣变的前提下有效灭活微生物的潜力。超声波产生的声空化效应，通过微泡的形成和剧烈溃灭，产生局部高温、高压、冲击波和剪切力，从而物理破坏微生物细胞结构。同时，空化还能将水分子均裂产生活性氧自由基（如·OH和H₂O₂），引起氧化应激，共同导致微生物失活。传统的超声技术（如槽式或探头式）存在能量分布不均、效率低等问题。而聚焦超声系统，特别是圆柱型聚焦超声，能实现360°方向均匀发射超声波，能量在系统中心集中和放大，并结合循环冷却水系统实现精确温控，从而提升处理效率和均匀性。

尽管超声技术显示出优势，但将圆柱型聚焦超声系统与温和加热结合用于牛奶巴氏杀菌的研究尚属空白。为此，发表于《Ultrasonics Sonochemistry》的研究论文《Application of thermo-cylindrical type focused-ultrasound as novel milk pasteurization: microbial inactivation, immunoglobulin G retention, and physicochemical characteristics》旨在探究热柱面型聚焦超声在55°C下对牛奶的巴氏杀菌效果，重点评估其微生物灭活效率、IgG保留率以及一系列理化特性的变化，并与传统LTLT法进行对比。

本研究主要采用了以下关键技术方法：利用热柱面型聚焦超声系统（DEBREX）在55°C下以30 W和100 W的功率处理牛奶不同时间（0-30分钟）；通过平板计数法评估对总需氧菌、大肠菌群、大肠杆菌O157:H7和李斯特菌的灭活效果；采用酶联免疫吸附测定（ELISA）定量IgG浓度；使用酶标法测定碱性磷酸酶（ALP）活性；通过激光粒度分析仪测定颗粒大小和Zeta电位；借助光学和荧光显微镜观察乳脂肪球微观结构；并利用色差计、pH计、硫代巴比妥酸反应物（TBARS）测定和十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）系统分析了牛奶的颜色、pH、脂质氧化和蛋白质组成等理化指标。实验所用生鲜牛奶来自当地农场（Seonchang farm, Chungnam, Republic of Korea），致病菌灭活评估则使用市售灭菌牛奶进行接种。

3.1. 微生物分析

研究人员通过测定不同处理条件下牛奶中微生物数量的变化，评估聚焦超声的杀菌效果。结果发现，总需氧菌、大肠菌群、大肠杆菌O157:H7和李斯特菌的数量均随超声功率和处理时间的增加而显著降低（p < 0.05）。在100 W功率下处理30分钟，能有效灭活上述所有测试微生物，显示出强大的抗菌潜力。单纯的55°C热处理（热对照）虽有一定杀菌效果，但远不及结合了超声的处理。这表明聚焦超声与温和加热（55°C）产生了协同杀菌效应，其主导机制被认为是超声空化产生的物理效应（如剪切力、微射流）对微生物细胞结构的破坏，而非化学自由基的作用。

3.2. ALP活性

碱性磷酸酶（ALP）是衡量巴氏杀菌是否充分的指示酶。研究发现，100 W聚焦超声处理（55°C, 30分钟）可使ALP活性降至0.96 μmol/mL，与传统LTLT处理（0.88 μmol/mL）无显著差异（p > 0.05），而30 W超声处理则保留了较高的ALP活性。这表明100 W聚焦超声处理能达到与传统LTLT法相当的杀菌充分性指示标准，但处理温度降低了8°C。

3.3. IgG保留

免疫球蛋白G（IgG）的保留率是评价杀菌工艺对营养成分影响的关键指标。LTLT处理导致IgG保留率最低，仅为54.78%。相比之下，30 W和100 W聚焦超声处理后的IgG保留率分别达到84.66%和81.00%，显著高于LTLT处理（p < 0.05）。这表明在较低温度（55°C）下应用的聚焦超声技术能更好地保护牛奶中的IgG活性，保留其健康益处。

3.4. 颗粒大小和粒径分布

聚焦超声处理，特别是100 W功率，能显著减小牛奶中脂肪球的粒径（D₅₀和D₃₂值最小），并使其分布更加均匀。而LTLT处理和热对照则导致脂肪球粒径增大。超声空化产生的强大剪切力有效破碎了大的脂肪球，形成的更小脂肪球能更稳定地分散在乳液中。

3.5. 浊度

100 W聚焦超声处理后的牛奶浊度最高，这与超声均质化作用使脂肪球变小、数量增多，从而增强了光散射有关。

3.6. Zeta电位

Zeta电位绝对值越高，表明乳液体系越稳定。100 W聚焦超声处理后的牛奶Zeta电位最负（-27.6 mV），显著高于其他处理组，表明其乳状液具有最佳的物理稳定性，不易发生聚集或分层。

3.7. 脂肪球的微观结构

显微镜观察直观地证实了上述结果：100 W聚焦超声处理后的牛奶脂肪球尺寸最小、分布最均匀；而LTLT处理和热对照的脂肪球则明显更大。

3.8. 颜色值

所有处理对牛奶的L值（亮度）、a值（红绿度）和白度指数均无显著影响。但100 W超声处理略微增加了b*值（黄蓝度）和总色差ΔE，这可能与脂肪球变小后β-胡萝卜素更易释放，或轻微的美拉德反应有关，但ΔE < 1，肉眼难以察觉。

3.9. pH和TBARS值

各处理组间pH值无显著差异，表明处理未引起牛奶酸败。硫代巴比妥酸反应物（TBARS）值用于评估脂质氧化程度。聚焦超声处理，特别是100 W，导致TBARS值略有升高，但仍远低于感官可察觉的阈值（1.3 mg MDA/L），说明氧化程度在可接受范围内。超声空化可能促进了脂质氧化，但并未对牛奶的感官品质造成实质性影响。

3.10. SDS-PAGE

十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）分析显示，经过各种处理后，牛奶中的主要蛋白质（如α-酪蛋白、β-酪蛋白、κ-酪蛋白、β-乳球蛋白、α-乳白蛋白、乳铁蛋白、血清白蛋白）的条带均未发生明显变化，表明聚焦超声处理没有导致蛋白质的显著降解或聚集，较好地保持了牛奶蛋白质的营养和功能完整性。

综上所述，本研究证实，热柱面型聚焦超声处理（55°C, 100 W, 30分钟）能有效灭活牛奶中的常见致病菌和指示菌，其效果通过ALP活性验证可达传统巴氏杀菌水平，同时能显著提高免疫球蛋白G（IgG）的保留率，更好地维护牛奶的营养价值。此外，该技术还能有效减小乳脂肪球尺寸，改善乳液的均匀性和稳定性（表现为Zeta电位绝对值升高）。虽然引起了轻微的脂质氧化和颜色黄度增加，但对牛奶的整体pH、主要蛋白质组成、色泽亮度等关键品质指标影响不大。

该研究的重要意义在于展示了一种有望替代传统LTLT巴氏杀菌的新型非热/温和热处理技术。聚焦超声技术在低于传统杀菌温度8°C的条件下，实现了相当的微生物安全性，同时更好地保留了IgG等热敏性生物活性成分，并改善了产品的物理稳定性。这为乳品工业开发对营养成分更友好、附加值更高的液态奶产品提供了新的技术路径和理论依据。研究团队还指出，基于该研究系统的中试规模设备（DEBREX 500）已开发成功，日处理量可达数百升，正在进行工业化应用的可行性评估。未来的研究可进一步关注该技术对牛奶中其他维生素、风味物质的影响以及产品的感官接受度，以推动其走向实际应用。