欧姆加热|感应加热|电线圈加热对牛乳热动力学、能量效率及品质属性的比较评估

《Applied Food Research》：Comparative assessment of ohmic, induction, and electric coil heating on thermal kinetics, energy efficiency, and quality attributes of cow milk

　　

电阻式加热方法日益被视为传统热加工的高效替代方案，尽管其有效性取决于过程控制与产品特性。本研究比较了欧姆加热(OH)、感应加热(IH)与电线圈加热(ECH)在牛乳加工中的表现，评估了加热行为、能耗、理化变化及微生物品质。OH实现最快加热，17 min内达90 °C(4.70 °C/min)，次之IH(22 min；4.14 °C/min)与ECH(57 min；1.39 °C/min)。OH的优越性能归因于由电导率驱动的体积产热，可实现快速且均匀的温度上升。相比之下，因表面介导传热，ECH能耗最高(0.57 kWh)，高于IH(0.24 kWh)与OH(0.19 kWh)。OH使脂肪、蛋白质与乳糖的组成变化最小化，并更好保留色泽(ΔE=0.79)，而ECH引发显著的浓度依赖性变化(ΔE=4.65)。微生物灭活在OH处理乳中最有效，表现为最低标准平板计数(SPC)与最高亚甲基蓝还原时间(MBRT)。傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析显示，与表面加热相比，OH条件下蛋白质与脂质的结构修饰最小。感官评价进一步确认OH处理乳在风味、质地与总体接受度上更优。这些发现表明，OH尤其在优化电气条件下，为乳制品加工提供了一种可放大且节能的途径，同时增强产品品质保留。

研究背景与立项依据

热加工是保障牛乳微生物安全、钝化内源酶及提升贮藏稳定性的必要操作。传统巴氏杀菌依赖间接传热，经器壁传导与流体对流完成，受牛乳较低热扩散率与界面热阻限制，存在加热不均、近壁过热与芯部欠处理之间的矛盾，长时间热处理易诱发乳清蛋白变性、酪蛋白-乳清蛋白相互作用、乳糖降解、美拉德褐变及挥发性风味损失。电阻驱动加热技术因响应快、可控性强、能量转换效率高而受到关注，其中感应加热(IH，电磁感应于导电容器壁生成涡流电阻热再传至物料)、电线圈加热(ECH，外部电阻元件经多层热阻传至物料)与欧姆加热(OH，交流电直接经物料体积产热，q=σE²)机制迥异。已有研究多孤立考察单一技术，缺乏同工况下OH、IH、ECH对牛乳的系统比较。因此研究人员在《Applied Food Research》报道了该项并列对比研究，以明确三者在加热动力学、能耗、理化与微生物品质及分子结构层面的优劣。

主要技术方法概述

研究人员取印度Karnal地区ICAR-国家乳业研究所牧场新鲜全脂牛乳，冷藏运抵后平衡至15 °C起始温度，分别采用标称约2000 W的批次系统处理5 L牛乳至目标90 °C：IH为商用电磁炉配SS304容器，IH(20–40 kHz)；ECH为铜线圈电阻炉配SS304容器；OH为自研批次腔体，SS304板式电极间距14 cm，50 Hz交流约140 V起步，电场约10 V/cm，电流12–13 A。温度由5支K型热电偶同步采集；能耗由单相数字电能表记录；组分用Master Eco乳成分分析仪；微生物用MBRT与碱性磷酸酶试验；色泽用机器视觉CIE L^*a^*b^*；感官由24人训练小组9点享乐量表评价；分子结构用ATR-FTIR(4000–400 cm^-1，分辨率4 cm^-1)；统计用单因素ANOVA与Tukey HSD(p<0.05)。

研究结果

3.1 电加热方式对牛乳热行为的影响

温度-时间曲线显示OH速率最高(4.70 °C/min，17 min达90 °C)，IH次之(4.14 °C/min，22 min)，ECH最慢(约1.39 °C/min，57 min)。OH随温度升高电导率上升、焦耳热增强；IH与ECH受黏度、对流与多层热阻制约。加热效率顺序为OH>IH>ECH。

3.2 能耗与加热动力学

OH耗时最短且能耗最低(0.19 kWh)，IH为0.24 kWh，ECH高达0.57 kWh。OH体积产热消除壁面热阻；ECH经加热鞘-器壁-边界层多重热阻致环境散失大；IH虽经容器壁涡流发热但仍优于ECH。能耗与时效排序一致：OH>IH>ECH。

3.3 对理化与微生物品质的影响

ECH因57 min长时加热伴水分蒸发出现浓度效应：脂肪3.63%、SNF 9.30%、蛋白3.43%、乳糖5.20%显著升高，pH降至6.43，L^*升、b^*升、ΔE=4.65。IH与OH组分接近生乳(脂肪~3.33–3.37%，乳糖OH维持4.80%)，OH pH 6.57最接近生乳6.60。微生物方面，生乳SPC 5.32 log CFU/mL、MBRT 112 min；三者均阴性格碱性磷酸酶，OH的SPC最低(2.28 log)、MBRT最高(455.33 min)，IH与ECH居中。OH体积均匀受热叠加潜在膜电击穿(电穿孔)助灭活。

3.4 色泽属性

ECH的L^*(69.79)、b^*(18.83)、黄度指数(YI 38.54)最高，白度指数(WI 35.74)最低，ΔE=4.65；IH ΔE=2.82；OH L^*67.03、b^*16.92、YI 36.06、WI 37.25、ΔE=0.79，最接近生乳。表明长时表面加热促褐变，OH短时而均匀致色变最小。

3.5 感官属性

9点量表下OH香气8.00、风味8.29、滋味8.14、质地8.29、总接受度8.14均最高；ECH次之(总接受7.71)；IH最低(总接受6.14)。OH因短促体积加热抑制美拉德与异味生成、维护胶束稳定，获最优感官。

3.6 FTIR光谱分析

酰胺I(~1650 cm^-1)与酰胺II(~1540 cm^-1)带在热处理样中强度略降，ECH酰胺I峰向低波数移并宽化，提示蛋白解折叠与聚集；IH与OH峰位近生乳。脂质C–H伸缩(~2920 cm^-1)在ECH与OH吸光度略增反映脂-蛋白界面重排，但无主峰位移。OH结构扰动最弱。

讨论与结论翻译

讨论指出，加热机制决定牛乳热动力学与品质留存：OH体积产热由电导率σ与场强E平方驱动(q=σE²)，升温中σ因离子迁移率增而自加速，消除壁-芯梯度；IH经器壁涡流再对流，近目标温时因黏度升、对流弱而效率降；ECH多层热阻与长时暴露致浓度效应与褐变。OH最短停留时间同步达成磷酸酶灭活与最低SPC，且FTIR与色泽、感官一致印证结构保留。

结论部分：本研究证明电加热模式显著左右牛乳热动力学、微生物安全与品质属性。OH表现最优——17 min达90 °C、速率4.70 °C/min、能耗0.19 kWh，优于IH(22 min、4.14 °C/min、0.24 kWh)与ECH(57 min、1.39 °C/min、0.57 kWh)。OH处理乳脂肪、蛋白、乳糖、pH近乎未变，ECH呈浓度依赖改变且色差ΔE=4.65；OH的SPC 2.28 log CFU/mL、MBRT 455 min最佳；FTIR示OH对酰胺I/II及脂质谱带扰动最小；感官总接受度最高。OH在优化电气条件下兼具过程效率与结构-感官保留，适于乳品放大加工。研究局限在批次规模、未评贮藏稳定性及流变/粒径/消化率等，后续需连续化与放大验证。