反应器类型影响热声处理在发酵后生元橙汁饮料中对干酪乳酸杆菌失活动力学的作用

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Reactor type impacts thermosonication inactivation kinetics of Lacticaseibacillus casei in postbiotic orange beverage

　　

本研究采用产乳酸、不产乙醇的干酪乳酸杆菌（Lacticaseibacillus casei）发酵含50%果汁并以蔗糖标准化的非酒精橙汁饮料，制备后生元产品。研究人员评估并比较了热声处理（TS）与常规热处理（TH）在50、55和60 °C下的效果，重点考察反应器类型（材料声学特性、空间约束及工作频率）对失活动力学的影响。TH始终遵循线性一级动力学（Bigelow模型），而TS动力学受反应器物理环境影响：在受限不锈钢腔内，TS引发非线性Weibull失活并伴随抗性“拖尾”效应，可能归因于材料高声阻抗失配与表面粗糙度促进驻波与边界衰减；转用较大玻璃反应器则有望促成剧烈宏观声流与均一能量分布，从而获得稳健线性且高度可预测的失活（R2 > 0.99），有效抑制亚群存活。最优TS方案（玻璃反应器、60 °C、10 W/mL）D值为0.62 min，较热处理缩短57%加工时间。研究人员提出等温、混合与均质TS三种优化场景以保障产品安全，最终表明反应器类型（含材料声学特性、频率与形貌特性）可缓解动力学非线性，使均质热声处理成为后生元工业化放大中可预测且可行的技术。

研究背景与立项依据

功能性食品从活菌益生菌拓展至灭活微生物组分构成的后生元（postbiotics）。后生元具备更优贮藏稳定性且减低温控依赖，但其灭活方式直接决定生物活性与感官属性保留程度。传统热处理（TH）虽为果汁灭菌常态，但高温长时间暴露会降解热敏营养素与生物活性物质。单独超声室温处理难以达到巴氏级减量，而热声处理（TS，thermosonication）以温和热协同空化剪切，在革兰氏阳性菌厚肽聚糖层破坏与胞内活性物释放上具独特优势。现有TS失活动力学文献多聚焦时间、温度、功率密度等工艺参数，对反应器本体物理因素——材料声学属性、空间约束、液柱高径比、工作频率——关注不足，导致工业放大跨容器时经常出现动力学漂移与减量不可预测。该研究即在发酵橙汁基质中，以干酪乳酸杆菌（Lacticaseibacillus casei，原Lactobacillus casei）为对象，量化反应器类型对TH与TS失活动力学及建模形态的调控机制。

主要技术方法概述

研究人员在葡萄牙与巴西两地采购橙汁并标准化至50%果浆、10 g/100 mL蔗糖、初始pH调至5.0供L. casei NRRL B-442发酵24 h，发酵后自然回落至pH≈3.8。TH在10 mL钢腔（8.5 mL样）水浴夹套中进行；TS设三型反应器：Reactor I受限不锈钢腔（10 mL总容、26 kHz、7 mm钛探头、8.5 mL样），Reactor II玻璃夹套（100 mL总容、18 kHz、13 mm探头、50 mL样），Reactor III大玻璃夹套（250 mL总容、同18 kHz系统、150 mL样）。声功率密度（APD，acoustic power density）按实测电功/处理体积计为3与10 W/mL，温度50/55/60 ±2 °C，处理后冰浴止热。活菌计数采用涂布平板法（检出限10 CFU/mL），每时间点n=4。动力学分别用Bigelow一级模型（求D、Z值）与Weibull分布（求尺度b、形状n）拟合，TableCurve 2D与Excel完成非线性回归，以R²与MSE评价。

研究结果

3.1 热处理失活动力学

TH在50–60 °C均呈一级线性，Bigelow拟合R²≥0.984。D值随温度指数下降：50 °C为11.12±0.37 min，55 °C为4.09±0.39 min，60 °C为1.44±0.02 min；Z值11.28±0.29 °C。酸性发酵基质与热协同破坏膜通透性与pH稳态，使温和巴氏温度即可快速十进制减量，20.2 min于60 °C达14-log缩减。

3.2 温度对TS失活动力学影响（10 W/mL）

3.2.1 受限不锈钢腔（Reactor I）

TS呈现非线性Weibull特征，调整R²=0.978–0.992，MSE=0.011–0.091。b随温度由1.77（50 °C）升至4.56（60 °C），n始终<1（0.49→0.22），证实初期快灭后续拖尾。不锈钢高声阻抗失配与粗糙壁面诱发驻波、边界衰减与能量不均，是亚群抗性存活的容器级成因。

3.2.2 玻璃反应器（Reactor II）

同功率密度下换用38 mm×110 mm玻璃腔，TS回归严格一级动力学，Bigelow R²≥0.99。D值50 °C=2.07 min、55 °C=1.38 min、60 °C=0.62 min；Z=19.10±3.61 °C，较TH的Z升高表明声空化主导而非纯热。玻璃材质低阻抗失配、较大容积与18 kHz宏探头共同促发宏观声流，消除拖尾。

3.2.3 更大玻璃反应器（Reactor III）

研究人员沿用Reactor III（250 mL、150 mL样）验证容积放大一致性：在等效APD 10 W/mL与60 °C下仍维持线性一级与高R²，证明玻璃大腔方案具跨尺度可移植性，为工业罐线放大提供动力学不变性依据。

讨论与结论翻译浓缩

讨论指出，反应器材料声学属性（声阻抗、表面形貌）、空间约束（高径比、探头浸没位）、工作频率（26 kHz vs 18 kHz）共同决定声场结构：钢腔驻波致局部饱和与边界死区，玻璃腔声流致匀布剪切，从而将Weibull拖尾重构为Bigelow线性。最优玻璃TS（60 °C、10 W/mL）D=0.62 min，较同温TH的1.44 min省时57%，且回避80–100 °C剧热对感官与胞内活性肽/多糖的破坏。研究人员提出三场景：等温TS（精准控温线性灭活）、混合TS（TH预调+TS收尾）、均质TS（大玻璃腔连续流）以兼顾安全与后生元功能保留。结论确认反应器类型是TS动力学非线性的缓解开关，均质热声处理可成为后生元橙汁饮料工业化放大中的可预测、节能、护活性可行路径。该文发表于《Innovative Food Science》。