保留焦耳热的水牛奶脉冲电场处理：微生物效力、生物活性蛋白保留及风味分析

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Pulsed electric field processing of buffalo milk with retained Joule heating: Microbial efficacy, bioactive protein retention, and flavor profiling

　　

摘要

温度辅助脉冲电场（PEF）处理此前已在各种液体食品中得到研究；本研究将这种既定方法扩展至生水牛奶，通过将处理过程中产生的焦耳热作为整体工艺的一部分保留下来。在 24.0、25.0 和 26.0 kV/cm 的场强下处理生水牛奶，比能输入为 190–220 kJ/L，分别产生 60、65 和 70 °C 的出口温度，并与 72 °C 持续 15 秒的高温短时（HTST）巴氏杀菌进行了比较。评估了微生物灭活、理化性质、生物活性蛋白保留率、美拉德反应标记物和挥发性成分图谱。在三种 PEF 条件下，细菌总数、大肠菌群总数和嗜冷菌计数分别降低了 1.5–4.5、2.7 至 >5.1 和 2.4 至 >6.2 log CFU/mL。在所有 PEF 条件下，α-乳白蛋白的保留率均超过 92%，而 HTST 后为 78%；乳铁蛋白的保留率为 85–91%，而 HTST 后为 64%。呋喃啶保持在与生奶统计学上可比的水平，而 5-羟甲基糠醛仅略有增加且低于 HTST 后的水平。电子鼻和 GC-IMS 分析显示，PEF 处理样品保留的挥发性成分图谱比 HTST 处理样品更接近生奶。总体而言，测试的 PEF 条件在实现微生物减少的同时，更好地保留了多种热敏性质量属性。由于场强、能输入和出口温度同时变化，且未包含匹配的非电场热对照，因此无法量化单独的热贡献和电场相关贡献。因此，研究结果被解释为完整工艺条件的综合结果，而不是电 - 热协同作用的证明。

引言

水牛奶（Bubalus bubalis）约占全球原奶产量的 15%（OECD/FAO, 2024）。与牛乳相比，其总固体（16–18%）、脂肪（6–8%）和蛋白质（4.0–4.5%）含量更高（Ahmad, Anjum, Huma, Sameen, & Zahoor, 2013; Liao, Yang, Suo, & Song, 2025）。它还富含钙和磷，并支持奶酪等优质产品（Khedkar, Kalyankar, & Deosarkar, 2016）。这些成分优势增加了其市场价值，但也可能使水牛奶对保存引起的蛋白质聚集、脂质氧化和风味变化更加敏感。

然而，生奶是一种营养丰富的培养基，极易受到病原微生物和腐败微生物的侵害，使得杀菌在乳制品加工中不可或缺（Fusco et al., 2020）。热加工，包括 UHT 灭菌和 HTST 巴氏杀菌，仍然是占主导地位的工业标准。HTST 巴氏杀菌（通常为 72 °C 持续 15 秒）通常被认为是温和的，但对天然营养和原始风味日益增长的需求凸显了其局限性。即使是 HTST 也会导致乳铁蛋白和免疫球蛋白等热敏性生物活性蛋白变性，降低维生素保留率并改变特征性挥发性成分（Wang, Timilsena, Blanch, & Adhikari, 2019）。Shuang 等（2025）报道，HTST 使牛乳中的乳铁蛋白保留率降低至约 73%，并引发了早期美拉德反应。这些问题对于水牛奶尤为相关，因为其浓缩的蛋白质和脂质系统更容易发生热诱导聚集和氧化（Rodríguez-González, Walkling-Ribeiro, Jayaram, & Griffiths, 2011）。因此，需要一种能够平衡微生物安全与质量保留的替代技术；在超高压、紫外线辐射和超声波等非传统选项中，脉冲电场（PEF）处理显示出前景（Chacha et al., 2021）。这对于优质水牛奶产品尤为重要，因为质量损失会直接降低营养和感官价值。

PEF 技术涉及在两个电极之间流动的液体材料上施加短暂的高电压脉冲，通常在微秒级，在材料中产生 kV/cm 级别的电场（Barba et al., 2015）。主要的灭活机制是电穿孔：当跨膜电位超过临界值时，微生物膜发生局部结构破坏，渗透性增加，胞内成分泄漏，并可能发生不可逆灭活（Kotnik, Rems, Tarek, & Miklav?i?, 2019）。在此基础上，PEF 已被广泛应用于果汁等可泵送流体食品的研究中（Brito & Silva, 2024）。在早期的 PEF 应用中，该工艺常被定义为非热加工，使用外部冷却来去除处理产生的热量并最小化热损伤。然而，在低酸度、高微生物负荷的乳制品中，纯非热 PEF 可能需要高电场强度和延长的处理时间以满足商业致死率要求，从而增加能耗和设备运营成本（Buckow, Chandry, Ng, McAuley, & Swanson, 2014）。当导电性液体食品暴露于高电压脉冲时，本质上会产生焦耳热，之前的研究表明适中的温度升高可以显著增强 PEF 的致死率。Heinz, Toepfl 和 Knorr (2003) 表明，提高处理温度增强了苹果汁中Escherichia coli的灭活，并显著降低了达到特定微生物减少所需的电能。在乳制品基质中，Jaeger, Schulz, Karapetkov 和 Knorr (2009) 证明，牛奶成分，特别是酪蛋白和乳清蛋白，可以在 PEF 处理期间保护微生物并影响亚致死损伤细胞的发生。最近，Thamsuaidee, Schaefer, Schneider, Siemer 和 Valdramidis (2024) 研究了电穿孔和热量在基于燕麦的奶替代品 PEF 处理中的各自贡献。一些研究表明，适中的温度升高可以增加微生物膜的流动性和对电穿孔的敏感性，从而在实际可行的场强下实现高效灭活（Alirezalu et al., 2020）。尽管温度辅助 PEF 保存已被广泛研究，但其在**水牛奶**中的应用仍缺乏充分的表征。由于水牛奶容易发生蛋白质聚集和脂质氧化，并且含有与冷链存储相关的嗜冷腐败微生物群，因此需要直接评估其对保留焦耳热的 PEF 的反应。

因此，生水牛奶接受了产生 60、65 和 70 °C 出口温度的温度辅助 PEF 处理，并与传统 HTST 巴氏杀菌进行了基准比较。从微生物灭活、理化和胶体稳定性、热敏性生物活性蛋白保留率、美拉德反应标记物以及通过 GC-IMS 和电子感官分析评估的挥发性风味图谱等方面对加工效果进行了全面评估。在本研究中，“温度辅助 PEF"指的是保留处理过程中产生的焦耳热而不是主动去除的 PEF 加工。当使用“电 - 热耦合”一词时，它仅指电场暴露和焦耳热引起的温度升高的同时存在，并不意味着实验证明的协同相互作用。因此，本研究提供了在完整温度辅助 PEF 工艺条件下微生物控制和质量保存的综合评估。

章节片段

水牛奶样品和加工条件

全脂生水牛奶（约 50 L）采集自中国广东省肇庆市的一个商业水牛奶场，在 4 °C 下冷藏运输，并在采集后 3 小时内加工。生奶在 20 °C 下的电导率为 3.25 mS/cm。在无 菌条件下，牛奶被分为五份 10 L 的等份，每份分配给五种处理之一：（i）保持在 4 °C 的未处理对照；（ii）72 °C 持续 15 秒的 HTST 巴氏杀菌；以及（iii-v）脉冲电场

PEF 的微生物灭活效果

选择 TBC（细菌总数）、TCC（大肠菌群总数）和 PBC（嗜冷菌计数）作为核心指标，因为它们分别代表了整体卫生质量、与大肠菌群相关的安全状况和嗜冷腐败潜力。TBC 反映了巴氏杀菌的整体去污能力（Londono-Carmona et al., 2024），TCC 广泛用于评估卫生和食品安全（Yalew et al., 2024），PBC 对冷藏水牛奶很重要，因为嗜冷菌及其耐热脂肪酶和蛋白酶可以继续损害

结论与未来展望

本研究通过与传统 HTST 巴氏杀菌的比较，提供了对生水牛奶中保留焦耳热的温度辅助 PEF 加工的综合评估。在测试条件下，微生物减少量随着 PEF 处理总强度的增加而增加，而适中的 PEF 条件比 HTST 保留了更多的乳铁蛋白和 α-乳白蛋白，并更好地维持了多种理化和风味相关属性。这些发现扩展了

CRediT 作者贡献声明

王朗宏：写作 - 评论与编辑，验证，监督，方法论，概念化。李佳宏：写作 - 原稿，可视化，调查，形式分析，数据整理。李旭瑞：调查，形式分析。胡雨希：软件，调查，数据整理。王瑞：写作 - 评论与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。曾心安：写作 - 评论与编辑，监督，资源，资金获取，

未引用的参考文献

天津乳业协会，2019

国际标准化组织，2005

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

这项工作得到了 国家自然科学基金（32402297, U23A20267 和 32172348）、国家重点研发计划（2023YFD2101000）以及 广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515011534）的支持。作者感谢黄燕燕提供的技术支持。

王朗宏 | 李佳宏 | 李旭瑞 | 胡雨希 | 王瑞 | 曾心安

佛山大学食品科学与工程学院，广东省智能食品制造重点实验室，中国佛山 528225