巴氏杀菌酪蛋白酸钠与酪蛋白酸钙可食性膜溶液的储存条件优化研究

《Journal of Dairy Science》：Storage of pasteurized sodium and calcium caseinate-based edible film solutions

　　

近期研究表明，基于酪蛋白酸盐的可食性膜溶液可以进行巴氏杀菌处理，且对所得膜的性能无显著影响。然而，适合这些溶液储存且不会导致膜质量劣化的条件尚未得到系统研究。本研究针对经低温长时间（Low-Temperature Long-Time, LTLT）、高温短时（High-Temperature Short-Time, HTST）或超高温灭菌（Ultra-High Temperature, UHT）处理以及未经过巴氏杀菌的酪蛋白酸钠和酪蛋白酸钙膜溶液，测试了4种不同的储存温度（?20、4、20和30°C）。研究结果显示，在所有储存温度下，仅经UHT处理的溶液在整个研究期间未出现微生物生长。研究人员利用储存25周且未变质的溶液制备了膜，结果表明，经UHT处理并在?20、4和20°C条件下储存的溶液所制备的膜，与新鲜制备的未巴氏杀菌溶液所制备的膜相比，在质构特性上无 detectable 差异。 解读性摘要：可食性膜可以由含有乳蛋白的液体配制而成。研究结果表明，这些液体可以进行巴氏杀菌处理，且不会明显改变所得膜的质构。然而，适宜的储存条件此前仍属未知，因为乳基液体在储存过程中可能出现变质。在本研究中，研究人员测试了不同的储存温度（?20、4、20和30°C），发现UHT巴氏杀菌可有效保护液体在冰点以上的温度下长达25周不变质。室温（20°C）储存适用于经UHT处理的液体，因为由此制备的膜在质构品质方面与新鲜制备液体所得膜无法区分。

论文解读

一、研究背景与目的

酪蛋白酸盐与甘油增塑形成的水溶液具有制备可食性膜的潜力。然而，商业化应用面临两大障碍：其一，复原乳制品必须经过巴氏杀菌处理；其二，巴氏杀菌后的溶液所制膜的性能保持情况尚不确定。此前研究已表明，巴氏杀菌对新鲜制备的酪蛋白酸盐成膜溶液的质构属性无显著影响，且UHT处理能有效降低此类溶液中的微生物数量，而HTST和LTLT处理效果有限。但巴氏杀菌后成膜溶液的适宜储存条件仍未明确，这限制了膜生产和分销流程的简化——若储存条件明确，膜浇铸和干燥操作无需与溶液混合和巴氏杀菌在同一设施内完成，预制成膜溶液还可用于涂层应用，拓展更多用途。

储存酪蛋白酸盐基溶液需避免两大问题：一是微生物生长，二是不可逆凝胶化。酪蛋白酸盐膜溶液中的固有微生物在HTST和LTLT处理后主要为嗜温性芽孢形成菌，与乳蛋白浓缩物中常见耐热需氧芽孢形成菌的报道一致。UHT处理可使液态乳中芽孢形成菌数量降低约4 log₁₀ cfu L^?1，但在20°C或35°C储存6个月后仍可检出约1 log₁₀ cfu L^?1。持续存在的芽孢形成菌中包括芽孢杆菌属和类芽孢杆菌属，其中许多物种与食品腐败相关。至于不可逆凝胶化，UHT处理乳在储存期间经常出现不可逆增稠或凝胶化，可通过表观黏度和粒径的急剧增加来追踪。但尚不清楚缺乏乳清蛋白和乳糖、酪蛋白以酪蛋白酸盐形式存在且浓度高于牛乳的液体，是否会发生老化凝胶化以及何种温度下会发生。甘油也可能在高温过程中与蛋白质残基发生反应，因此成膜溶液中甘油的存在可能影响老化凝胶化过程。

本研究旨在确定酪蛋白酸钠基和酪蛋白酸钙基成膜溶液（分别简称NCS和CCS）的适宜巴氏杀菌技术与储存温度组合。由于UHT处理液体虽可免于微生物生长导致的变质，但发生老化凝胶化的可能性更大，因此同时监测了LTLT和HTST处理的膜配方在长期储存中的表现。

二、关键技术方法

研究人员制备了NCS和CCS成膜溶液，分别含11.25%酪蛋白酸钠或酪蛋白酸钙和3.75%甘油。LTLT处理采用批量方式，最低温度62.5°C维持30分钟；HTST和UHT处理在FT-174X微型HTST/UHT加工系统中进行，HTST为75°C维持15秒，UHT为142°C维持3秒。每种处理均设置3个独立储存重复池。溶液分装后在?20、4、20和30°C四种温度下储存，定期取样分析。主要分析方法包括：总嗜温需氧菌平板计数、旋转流变学黏度测定、激光散射粒径分布分析，以及储存25周后未变质溶液浇铸成膜后的质构分析。统计分析采用ANOVA多重比较和Tukey事后检验，重复测量数据使用线性混合效应模型。

三、研究结果

微生物学结果

未经巴氏杀菌的NCS对照组初始菌落总数低于检测定量限，但在20°C和30°C储存2周后增长至5.52 log₁₀ cfu mL^?1。LTLT和HTST处理的NCS在20°C储存2周后分别增至4.31和6.31 log₁₀ cfu mL^?1，但在30°C储存时微生物增长保持在定量限以下。CCS对照组及LTLT和HTST处理样品在20°C储存时微生物负荷同样增加超过1.5 log₁₀ cfu mL^?1。部分巴氏杀菌样品在30°C储存时未见生长，可能原因是巴氏杀菌过程中受损的细胞无法在高温下恢复。储存7周后，4°C储存的NCS对照组和LTLT样品菌落总数增加2.6 log₁₀ cfu mL^?1，CCS对照组、LTLT和HTST样品增加超过1.6 log₁₀ cfu mL^?1，提示可能存在嗜冷菌的延长生长。最终，UHT处理在所有储存温度下均使微生物生长不超过定量限，是唯一在25周储存期内保持微生物稳定性的处理方法。

黏度结果

储存25周后，?20°C储存使LTLT NCS黏度较初始值增加16%，30°C储存使UHT NCS黏度降低49%。总体趋势为?20°C储存倾向于增加表观剪切黏度，而4°C及以上温度储存倾向于降低黏度。部分对照组和LTLT CCS样品在?20°C储存25周后解冻时变得非常黏稠，但仍可用于浇铸膜，且未观察到凝胶附着于储存管壁或底部。研究人员认为?20°C储存导致的黏度增加可能源于冻融过程中冰晶破坏聚集体结构，β-酪蛋白在低温下从酪蛋白胶束中迁移出并在解冻时重新组装，导致更多水分被截留在重新组装的聚集体中，引起溶胀和黏度增加。

粒径结果

?20°C储存25周导致NCS和CCS的D₅₀值较初始值显著增加。NCS中除未巴氏杀菌对照组外，其余样品在?20°C储存2周时D₅₀即显著增加。CCS中未巴氏杀菌和LTLT处理样品在?20°C储存时D₅₀先增加后随时间下降，但仍显著高于储存前水平。在4至30°C的冰点以上储存温度下，NCS的粒径分布和D₅₀无显著变化，CCS粒径分布虽略向较小粒径方向偏移，但未达到显著水平。这些结果与老化凝胶化预期相反，表明在测试条件下NCS和CCS未发生明显的老化凝胶化。

质构分析结果

经UHT处理并在?20、4和20°C储存25周的NCS和CCS所制膜，与新鲜制备未巴氏杀菌溶液所制膜在拉伸强度、屈服强度、断裂伸长率和弹性模量方面均无显著差异。但30°C储存的UHT NCS所制膜断裂伸长率降低35%、拉伸强度降低13%，UHT CCS所制膜拉伸强度降低20%，表明较高储存温度使所得膜略趋脆性。对于?20°C储存的非巴氏杀菌、LTLT和HTST处理溶液所制膜，NCF在所有质构属性上均无可检测差异。CCF方面，UHT处理溶液所制膜与部分其他处理相比，拉伸强度降低21%或15%、屈服强度降低至少31%、弹性模量降低35%和28%，断裂伸长率较对照组增加22%。对照组、LTLT和HTST处理的NCS在?20°C储存后所制膜拉伸强度较新鲜膜增加11%和12%。

四、讨论与结论

UHT是唯一能在25周储存期内使成膜溶液在20°C下无可定量微生物生长或可见变质的巴氏杀菌技术。经UHT处理并在?20、4和20°C储存的溶液所制膜，在拉伸强度、屈服强度、弹性模量和断裂伸长率方面与新鲜制备溶液所制膜无可检测差异。因此，UHT处理溶液可在环境温度条件下储存，减少对冷藏或冷冻储存的需求及相关成本。

应避免将UHT处理溶液（尤其是NCS）在较高温度（如30°C）下长时间（25周）储存，因为所得膜可能趋向脆性。非巴氏杀菌和巴氏杀菌溶液在?20°C储存25周后，所得膜性能也可能发生变化，具体取决于初始加工条件，?20°C储存可能导致拉伸强度和屈服强度增加、刚度增加及柔韧性降低。

在所有测试样品中，储存长达25周未出现明显的不可逆凝胶化。然而，冻融处理可能导致NCS和CCS的D₅₀增加，部分情况下?20°C储存25周内黏度也会增加。因此，除非必须使用LTLT或HTST处理且无额外保存方法避免储存期间微生物活动，否则应避免冷冻温度储存。