酸奶生产过程中欧姆加热与传统孵育的对比评估：发酵动力学、微生物计数及品质特性

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Comparative evaluation of ohmic and conventional incubation during yogurt manufacture: Fermentation kinetics, microbial counts, and quality characteristics

　　

摘要

欧姆加热辅助发酵作为一种替代孵育方法，在控制发酵过程及改良发酵乳制品质量特性方面具有潜力。本研究对酸奶生产过程中的欧姆孵育和常规孵育进行了比较评估，重点考察了酸化行为、基于电导率的发酵监测、微生物计数、理化特性、流变行为、质构特性及感官属性。实验室规模的欧姆系统运行于选定电压30 V，孵育温度控制在设定值42 ± 0.5 °C。欧姆孵育产生了更快的酸化响应，导致最终pH值更低（4.38 vs. 4.45），滴定酸度更高（1.02% vs. 0.95%乳酸），总可溶性固形物下降速度更快。电导率在发酵过程中逐渐升高，并以电导发酵指数（CFi）表示，该指数随酸化进程变化，提供了关于发酵发展的信息。欧姆孵育条件下生产的酸奶表现出更高的粘度（22,233 vs. 16,233 mPa·s）、持水力（82.67% vs. 72.84%）、硬度（2.217 vs. 1.566 N）和稠度（8.724 vs. 5.304 N·s）。流变学测量还显示两种孵育处理在储能模量、损耗模量、粘度和剪切响应方面存在差异，表明处理导致了所得酸奶凝胶流变学性质的差异。欧姆孵育条件下微生物计数增长也更快，拟合的最大生长速率更高（1.10 vs. 0.85 log CFU mL?1 h?1），模型化延滞期参数更短（0.60 vs. 1.00 h）。感官评价显示欧姆孵育条件下口感质地评分更高，而风味和整体可接受性在两种处理之间无显著差异。在所研究的实验室条件下，与常规孵育相比，欧姆孵育与更快的酸化以及微生物生长模式和部分凝胶相关特性的差异相关。同步的电导率响应进一步支持了电导率测量作为酸奶发酵监测补充工具的潜力，但需要进行配方特异性校准和验证。

引言

酸奶是一种广泛食用的发酵乳制品，尤其在南亚地区备受推崇，因其营养价值、易消化性和特征性的凝胶结构而受到重视（An et al., 2024）。发酵直接在容器中进行，处于静止条件下，有利于形成不受干扰的三维酪蛋白网络，该网络决定了酸奶的硬度、持水力和感官特性（An et al., 2024; Asaduzzaman, Mahomud, & Haque, 2021）。凝胶基质通过嗜热乳酸菌（LAB）的代谢活动形成，主要由嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）和保加利亚乳杆菌（Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus）协同作用，在40–45 °C孵育期间将乳糖转化为乳酸并形成关键代谢产物（Bai et al., 2024; Ge et al., 2024）。渐进性酸化使牛奶pH从6.6降至4.5，接近酪蛋白的等电点（pH = 4.6），导致胶束不稳定化、促进聚集并形成连续蛋白质网络，从而定义了酸奶的质地、硬度和持水力（Asaduzzaman et al., 2021; Sadeghi, Madadlou, Khosrowshahi, & Mohammadifar, 2014）。

由于发酵后没有搅拌，凝固型酸奶对孵育条件极为敏感，特别是温度均匀性和发酵动力学。传热上的微小差异（±1–2 °C）可导致非均匀酸化轮廓、局部弱凝胶区域和乳清分离（收缩率达5–10%），这些都会对结构和感官特性产生不利影响（Arab et al., 2023; Peng, Horne, & Lucey, 2009）。常规孵育方法，包括热风烘箱和水浴，依赖于通过传导和对流进行的外部传热，且常因相对较低的传热系数而受到限制，导致热量渗透缓慢和发酵介质内部温度梯度的形成（Cappato et al., 2017; Jaeger et al., 2016; Varghese, Pandey, Radhakrishna, & Bawa, 2014）。这些限制可能延长发酵时间并引入微生物生长动力学和凝胶结构方面的变异性，从而给工艺标准化和工业化放大带来挑战（Bai et al., 2024; Ge et al., 2024）。欧姆加热（OH）通过向食品中通电交流电来在材料内部体积内产热，根据焦耳定律（Q = I2R）实现电能向热能的直接转化（Cappato et al., 2017; Varghese et al., 2014）。在欧姆加热系统中，体积产热方式可实现快速且均匀的温度升高，且能效远高于常规热加工过程（Jaeger et al., 2016; Javed et al., 2025; Rathva, Patel, Pinto, Chauhan, & Patel, 2024）。这种方法最大限度地减少了热梯度，确保发酵介质在整个过程中保持均匀的孵育条件。此外，欧姆加热施加适度电场，可与微生物细胞和生化途径相互作用，产生超越简单热加热的电生物学效应（Gavahian & Tiwari, 2020; Yousfi, Merbahi, Bouajila, Taillandier, & Debouba, 2025）。电生物现象，包括可逆电穿孔引起的膜通透性增加，可增强营养物质转运、刺激代谢活性并缩短发酵期间微生物的延滞期（Gavahian & Tiwari, 2020; Lebovka, Praporscic, Ghnimi, & Vorobiev, 2005; Sain, Minz, John, & Singh, 2024）。然而，这些响应高度依赖于电压梯度、频率和暴露持续时间等电学参数，且可能超过特定阈值后从刺激效应转变为抑制效应，需要仔细选择工艺条件（Gavahian & Tiwari, 2020; Miranda-Mejía, Cardador-Martínez, Tejada-Ortigoza, Morales-de la Pe?a, & Martín-Belloso, 2025; Yousfi et al., 2025）。

尽管欧姆加热具有上述优势，但将其作为发酵直接孵育方法，特别是用于凝固型酸奶，仍几乎未被探索，以往大多数研究聚焦于其在微生物灭活、巴氏杀菌和热加工中的应用。因此，在欧姆加热辅助发酵条件下，电学和热处理对微生物生长动力学、酸化动力学及凝胶发育的联合效应仍知之甚少。电导率（σ）最近作为一种有前景的发酵进程实时指标崭露头角，因为它反映了发酵过程中发生的物理化学和生物化学变化（Kim, Shim, Kwon, & Park, 2025）。在发酵期间，乳酸菌代谢乳糖产生乳酸，乳酸解离为乳酸根离子和氢离子，从而增加血清相中离子物种的浓度（Ayivi & Ibrahim, 2022; De Souza, De Oliveira, & De Oliveira, 2023）。同时，渐进性酸化促进酪蛋白胶束中胶体磷酸钙的溶解，释放钙离子和磷酸根离子，进一步促进电导率的发展（Bouma, Bijl, Thiel, & Hettinga, 2025; Nicolai & Chassenieux, 2021）。其他生物化学过程，包括蛋白水解和矿物质重新分布，进一步改变发酵系统的离子环境，导致电导率发生可测量的变化（Kumari, Minz, Chopde, & Sharma, 2025）。这些电导率变化为开发电导发酵指数（CFi）奠定了基础，该指数可作为发酵进程的定量指标。与pH值和滴定酸度等常规测量相比，电导率测量可连续、无损地获得，从而实现对欧姆加热辅助发酵的实时监测和过程控制（Guo et al., 2018; Kim et al., 2025; Kumari et al., 2025）。

从动力学角度而言，发酵通常用S形生长模型描述，改进的Gompertz方程是最常用于表征发酵乳制品生产期间乳酸菌生长的模型之一（Garcia et al., 2021; Gil, Brand?o, & Silva, 2006; Saetae, 2025）。改进的Gompertz模型可实现对关键动力学参数的估算，包括延滞期持续时间（λ）、最大比生长速率（μmax）和渐近种群水平，从而为微生物适应性和发酵表现提供有价值的见解（Garcia et al., 2021; Nor-Khaizura, Flint, McCarthy, Palmer, & Golding, 2019）。在酸奶发酵中，微生物生长、酸化和凝胶发育是密切相关且受孵育温度和发酵剂活性强烈影响的过程（Bai et al., 2024; Ge et al., 2024; Nor-Khaizura et al., 2019）。然而，在欧姆加热辅助发酵条件下，微生物动力学不仅受温度影响，还可能受电场强度和电导率影响，引入了传统等温发酵模型中未考虑的因素（Cho, Yousef, & Sastry, 1996; Gavahian & Tiwari, 2020; Yousfi et al., 2025）。适度电场通过可逆电穿孔、膜转运增强和代谢活性改变等机制影响微生物生理学已被报道，可能同时影响微生物生长速率和延滞期持续时间（Gavahian & Tiwari, 2020; Lebovka et al., 2005）。因此，将电导率测量与动力学建模相结合，可能为描述电热条件下的发酵行为和改进欧姆加热系统中发酵进程预测提供新颖框架（Kumari et al., 2025; Saetae, 2025）。

从结构角度来看，酸奶凝胶形成是由酸诱导的酪蛋白胶束不稳定化驱动的（Asaduzzaman et al., 2021）。当pH向酪蛋白等电点（pH = 4.6）降低时，胶体磷酸钙逐渐溶解，酪蛋白胶束之间的静电排斥减小，促进胶束不稳定化和聚集（Bouma et al., 2025; Nicolai & Chassenieux, 2021; Sadeghi et al., 2014）。表面电荷的降低暴露出疏水区域，并通过疏水相互作用和钙介导的桥接作用促进聚集，最终形成连续的三维蛋白质网络（Andoyo, Guyomarc'h, Burel, & Famelart, 2015; Asaduzzaman et al., 2021）。同时，热诱导的乳清蛋白变性，特别是β-乳球蛋白，促进其与位于胶束表面的κ-酪蛋白相互作用，形成乳清蛋白-酪蛋白复合物，增强凝胶基质并提高持水力（Arab et al., 2023; Asaduzzaman et al., 2021）。因此，酸奶的微结构和流变学性质受到蛋白质变性程度、聚集行为以及凝胶网络内蛋白质颗粒空间排列的强烈影响（Andoyo et al., 2015; Arab et al., 2023; Sadeghi et al., 2014）。在欧姆加热条件下，均匀的体积产热可能促进比常规加热系统更均匀的蛋白质展开和聚集，可能有助于提高凝胶均匀性并降低收缩敏感性（Caruggi, Lucisano, Feyissa, Rahimi Yazdi, & Mohammadifar, 2019; Hu et al., 2024; Rajeswari, Anand, & Mahendran, 2024）。此外，适度电场已被报道可影响蛋白质结构、聚集动力学和凝胶化行为，这可能进一步影响酸奶结构和质地的发育（Hu et al., 2024; Pereira et al., 2016; Rajeswari et al., 2024）。然而，过强的电场强度或不均匀的电场分布可能改变蛋白质相互作用和聚集路径，潜在地产生结构异质性并降低凝胶强度（Caruggi et al., 2019; Pereira et al., 2016; Rajeswari et al., 2024）。

综合考虑上述因素，欧姆加热作为孵育方法在发酵乳制品生产中既存在机遇也面临挑战（Gavahian & Tiwari, 2020）。欧姆加热的体积加热机制实现了快速升温、提高温度均匀性和增强能效，相比常规孵育系统具有显著优势（Cappato et al., 2017; Jaeger et al., 2016; Javed et al., 2025; Varghese et al., 2014）。除了热学优势之外，欧姆加热还可能通过适度电场效应影响微生物生理学，在采用适当电学条件时，潜在地增强营养转运、代谢活性和发酵动力学（Cho et al., 1996; Gavahian & Tiwari, 2020; Yousfi et al., 2025）。同时，欧姆加热期间产生的电热环境可能影响蛋白质变性、聚集行为和凝胶网络形成，从而影响最终酸奶产品的流变学、质构和功能特性（Caruggi et al., 2019; Hu et al., 2024; Pereira et al., 2016; Rajeswari et al., 2024）。然而，欧姆加热的有益效应高度依赖于电学运行参数，包括电压梯度、电流密度、频率和处理持续时间，不适当的条件可能对微生物生长、蛋白质结构和整体产品质量产生不利影响（Gavahian & Tiwari, 2020; Lebovka et al., 2005; Yousfi et al., 2025）。因此，确定最佳电热运行范围——在此范围内最大化对发酵和凝胶发育的刺激效应，同时最小化不良物理化学和微生物学效应——对于成功实施欧姆加热辅助发酵系统至关重要（Miranda-Mejía et al., 2025; Yousfi et al., 2025）。

因此，本研究旨在评估欧姆孵育作为酸奶生产替代孵育方法的可行性。本研究评估并比较了欧姆孵育对酸化行为、电导率发展、微生物计数、流变特性、质构属性和感官特性的影响，与常规孵育条件下的结果进行了对比。

材料与方法节选

原料

新鲜水牛乳（脂肪含量6.0%；非脂固形物9.0%；蛋白质3.5%）购自印度哈里亚纳邦卡纳尔的印度农业研究理事会国家乳业研究院畜牧研究中心。直接使用凝固型（DVS）冻干嗜热发酵剂（Yoflex?，YF-3331；推荐添加率：每1000 L添加50 U）由丹麦Novonesis公司提供，该发酵剂包含嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）和保加利亚乳杆菌（Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus）。

欧姆孵育系统

欧姆孵育使用定制设计的实验室规模系统实施。

欧姆孵育条件的选择

先前研究的发现揭示了施加电压与发酵表现之间存在显著的非线性关系，表明电输入量不足和过量均会对发酵结果产生不利影响。

初始评估了五个电压水平（10、20、30、45和60 V），以确定欧姆孵育的适宜操作范围。在低电压水平下（10–20 V；125–250 V m?1），电能输入不足以实现快速体积变化。

结论：在选定的操作条件（30 V，即3.75 V cm?1）下进行欧姆孵育，对水牛奶酸奶的发酵进程和功能特性均产生了影响。与传统孵育相比，欧姆孵育与更快的酸化、更高的滴定酸度以及在MRS琼脂上恢复的更高可培养菌落计数相关。更高的粘度、硬度和一致性，以及改善的质地和口感评价，表明其在改善酸奶品质的同时保持产品特性具有潜力。

CRediT作者贡献声明

Mukul Sain：撰写原稿、软件、调查研究、数据整理。P.S. Minz：验证、监督、软件、调查研究。Shaikh Adil：软件、资源。Ankit Bihola：撰写——审阅与编辑、撰写原稿、验证、软件、调查研究、形式化分析、数据整理、概念构思。

利益冲突声明：作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

Mukul Sain | P.S. Minz | Shaikh Adil | Ankit Bihola

印度哈里亚纳邦卡尔纳尔市印度农业研究委员会国家乳制品研究所