《International Dairy Journal》：Intensification of yogurt fermentation using two-stage ultrasound treatment: acidification dynamics and effects on microstructure and rheological properties
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•两阶段超声处理强化了酸奶发酵过程。•第二阶段在迟缓期末效果最显著。•超声增加了酸奶的分散性、剪切应力和粘度。•处理后的乳凝胶表现出具有更小结构单元的蛋白质网络。引言在包括酸奶在内的发酵乳制品生产过程中的牛奶发酵伴随着相当高的能耗和相对较低的设备吞吐量。因此，缩短该加工阶段的
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两阶段超声处理强化了酸奶发酵过程。
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第二阶段在迟缓期末效果最显著。
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超声增加了酸奶的分散性、剪切应力和粘度。
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处理后的乳凝胶表现出具有更小结构单元的蛋白质网络。
引言
在包括酸奶在内的发酵乳制品生产过程中的牛奶发酵伴随着相当高的能耗和相对较低的设备吞吐量。因此，缩短该加工阶段的持续时间可以提高生产效率和经济效益，这仍然是乳制品行业的重要目标（Abesinghe 等人，2019 年；Brito 等人，2024 年）。
强化发酵乳制品技术中发酵过程的有前景的方法之一是应用超声处理。现有研究表明，超声可以激活胞内酶（Sakakibara 等人，1994 年），并增强向微生物供应氧气和营养物质（Guimar?es 等人，2019 年；Ojha 等人，2017 年；Pitt & Ross，2003 年）。在超声影响下，细胞膜通透性得到改善（Ojha 等人，2017 年；Guimar?es 等人，2021 年），且去除细胞代谢副产物的效率提高（Carrillo-Lopez 等人，2021 年）。所有这些效应都能刺激微生物生长，从而可能缩短乳酸发酵时间（Abesinghe 等人，2019 年；Masuzawa & Ohdaira，2002 年）。反过来，这可能降低发酵过程的能耗并提高设备吞吐量。此外，大多数现有研究报告了超声处理对最终酸奶质量的积极影响，包括粘度增加和持水性提高（Gursoy 等人，2016 年；Riener 等人，2009 年；Sfakianakis 等人，2015 年），以及凝胶密度和强度增强（Abesinghe 等人，2019 年；Sarker & Ali Siddiqui，2023 年；Vercet 等人，2002 年）。超声的潜在益处还包括通过加速乳糖水解和转糖苷作用来增强发酵乳制品的营养价值，改变有机酸谱，并增加肽含量（Gholamhosseinpour & Hashemi，2019 年；Huang 等人，2019 年；Nguyen 等人，2012 年）。
在发酵乳制品技术中应用超声强化发酵过程的有效性很大程度上取决于所选的处理条件（Brito 等人，2024 年；Guimar?es 等人，2019 年；Ojha 等人，2017 年）。关键超声参数（强度、功率密度和处理持续时间）的组合可能会通过增加微生物细胞的通透性来缩短发酵时间，或者由于细胞膜脂质双层的改变而对发酵剂活力产生抑制作用（Abesinghe 等人，2019 年；Dahroud 等人，2016 年）。此外，影响发酵动力学的一个关键因素是接种牛奶接受超声处理时的工艺阶段。
根据 Sfakianakis 等人（2015）以及 N?bel 等人（2016）的发现，在发酵剂接种前应用超声可以缩短乳酸菌生长的迟缓期；然而，它并不会显著影响发酵过程的总持续时间。Potoroko 等人（2018 年）在奶粉复原期间应用了超声处理，并得出结论认为这种方法将发酵时间缩短了 0.5–2.5 小时，具体取决于发酵剂的类型和超声处理条件。作者报告说，超声处理通过改善复原乳的分散性、增加酪蛋白水合以及增加系统中游离水的量，创造了有利于微生物活跃生长的条件。
在 Wu 等人（2000 年）的研究中，发酵剂接种前应用的超声处理不影响发酵持续时间，而接种后应用超声则将发酵时间减少了大约 1.2 倍。根据 Shershenkov 和 Suchkova（2015 年）的说法，在牛奶中添加发酵剂后使用超声使发酵过程加速了 10%。Nguyen 等人（2009 年）在酸奶生产接种双歧杆菌后应用了超声处理，并发现根据所用菌株的不同，发酵时间可减少 3.8%–25.6%。作者将接种牛奶中微生物代谢活性的增加归因于超声对细菌细胞的几种效应，包括酶释放、增强质量传递，甚至伴随刺激发酵剂生长的成分释放的细胞破裂。
因此，在现有研究关于超声对乳制品发酵影响的调查中，牛奶的超声处理通常在发酵剂接种前或接种后立即进行，此时微生物尚未表现出生物活性。同时，大多数研究表明，当处理在添加发酵剂后进行时，通常可以实现超声对发酵的强化。因此，对以下情况的研究引起了特别兴趣：当接种牛奶在发酵剂接种后立即进行处理并在发酵剂生物活性开始时重复处理时，超声对酸奶发酵的影响。
众所周知，酸奶发酵剂微生物 – 嗜热链球菌（S. thermophilus）和保加利亚乳杆菌（L. delbrueckii subsp. bulgaricus）– 的生长遵循一个特征性模式，该模式可用生长曲线描述（Courtin & Rul，2004 年；Tamime & Robinson，1999 年）。该曲线反映活菌数量并可划分为四个连续阶段：迟缓期、指数期（对数期）、稳定期和死亡期。在迟缓期期间，微生物遇到新环境，适应它并开始表现出生物活性，但没有激烈的细胞分裂。该阶段的持续时间取决于物种特性、初始细胞浓度和营养培养基组成；对于所研究的培养物，它可能持续长达 2–3 小时（Beal & Corrieu，1991 年；Rul，2017 年；Tamime & Robinson，1999 年）。我们假设，在迟缓期期间应用的重复超声处理（REUS）可能对减少发酵时间产生最显著的影响。
本研究旨在评估两阶段超声处理对减少发酵时间和酸奶质量特性的影响。我们确定了实现最高酸化速率的 REUS 最佳时机。此外，我们研究了所选两阶段超声处理条件对接种奶和酸奶微观结构的分散性和粘度特性的影响。
章节摘要
材料
本研究使用了直接接种冻干发酵剂 Lactoferm ECO（Biochem s.r.l., Monterotondo, Rome, 意大利），含有S. thermophilus和L. delbrueckii subsp. bulgaricus。发酵培养基（2.5% 脂肪，3.6% 蛋白质和 10.0% 非脂乳固体）是将脱脂奶粉与标准化均质巴氏杀菌奶（Stavropolsky Dairy Plant JSC, Stavropol, 俄罗斯）按每 1 升牛奶 15 克奶粉的比例混合制备的。
两阶段超声处理对酸化动力学的影响
结果显示分析表明，实验样本 6 在发酵开始后 2.5 小时经历了 REUS（表 1），与其他样本相比，其 pH 值和滴定酸度的增加速度更快（图 1）。发酵 4 小时后，样本 (6) 的 pH 值为 5.49 ± 0.09，而对照样本 (1) 的 pH 值为 6.20 ± 0.08。到第 6 小时，样本 (6) 中形成了成品酸奶特有的稳定凝胶，pH 值和滴定酸度分别达到 4.77 ± 0.05 和
结论
两阶段超声处理（频率，24 ± 1 kHz；强度，264–266 W/cm2；功率密度，840–860 W/dm3），包括在添加发酵剂后立即对接种奶进行 60 秒的初级处理，以及在发酵剂迟缓期末进行 10 秒的重复处理，与传统工艺相比，将发酵时间减少了 40%。成品酸奶中的乳酸菌活菌数在储存第一天和最后一天均达到最低要求。
两阶段
CRediT 作者贡献声明
Aleksander A. Borisenko: 写作 – 原稿，可视化，方法论，调查，概念化。 Elena G. Kostenko: 写作 – 原稿，调查，概念化。 Aleksey A. Borisenko: 写作 – 审阅与编辑，方法论，调查，概念化。 Victoria G. Razinkova: 写作 – 原稿，可视化，调查。 Ekaterina G. Greseva: 写作 – 原稿，可视化，调查。 Konstantin V. Kostenko: 写作 – 原稿，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系，这些可能会被认为影响本文中报告的工作。
致谢
作者感谢北高加索联邦大学跨部门科学教育实验室实验免疫形态学、免疫病理学和免疫生物技术实验室的 I. V. Rzhepakovsky 和 S. I. Piskov，以及“清洁区”科学实验室综合体的 V. A. Tarala 和 S. N. Povetkin，感谢他们在组织和进行微观结构研究方面的协助。
Aleksander A. Borisenko|Elena G. Kostenko|Aleksey A. Borisenko|Victoria G. Razinkova|Ekaterina G. Greseva|Konstantin V. Kostenko|Vitaly A. Kravtsov|K. Jagajjanani Rao
