中试规模下UV-C作为巴氏杀菌非热替代技术在奶粉加工中的应用：关键营养素保留评估

《Journal of Dairy Science》：Assessing the potential of UV-C as a nonthermal alternative to pasteurization in milk powder processing at pilot-scale for the retention of nutrients

　　

本研究评估了UV-C（UV-C）处理作为牛乳巴氏杀菌的非热替代方案，重点关注液态和粉末加工过程中营养相关组分的保留。牛乳经热化处理后，分别采用传统巴氏杀菌（72°C，15 s）或UV-C照射（4°C下3,900 J/m²）处理，随后进行蒸发和喷雾干燥。评估了微生物灭活、脂肪酶活性、蛋白质变性、氨基酸谱、体外蛋白消化率、免疫球蛋白A（IgA）和G（IgG）以及维生素稳定性。与原料乳相比，UV处理乳在蛋白质变性、氨基酸谱和体外消化率方面无显著变化。与巴氏杀菌相反，UV-C处理保留了液态乳中的脂肪酶活性，但在蒸发和喷雾干燥后未检测到残留活性。UV处理液态乳和奶粉中IgA和IgG的保留率显著高于巴氏杀菌对应样品。UV-C处理增加了乳中维生素D₃浓度，同时保持了其生物可及性。总体而言，UV-C加工保留了关键的营养和生物活性乳成分，支持其在乳品加工中的潜在应用。

论文解读

**研究背景与目的**

牛奶富含优质蛋白质、维生素和矿物质，是各生命阶段的重要营养来源。传统上，微生物安全性主要依赖巴斯德杀菌和超高温瞬时处理等热加工方式，其中巴氏杀菌（72–90°C，短时）是最温和的常见热杀菌手段，但仍会导致热敏性营养素和生物活性成分的降解，例如免疫球蛋白在60–65°C即开始变性，维生素和酶也易受热破坏。近年来，非热加工技术（如高压处理、脉冲电场、冷等离子体、UV-C照射）受到广泛关注，它们有望在保证微生物安全的同时更好地保留营养和感官品质。UV-C通过引起微生物DNA和RNA损伤实现灭活，对牛奶理化特性影响较小。然而，已报道的UV-C研究多局限于实验室规模，缺乏覆盖工业相关流程的放大验证；同时，现有法规尚未允许UV-C完全替代液态全脂乳品中的巴氏杀菌，主要挑战在于不透明基质中均匀灭活微生物的验证。本研究利用中试规模设备模拟工业奶粉生产，系统评估UV-C替代巴氏杀菌对液态奶及奶粉各加工阶段关键营养和生物活性成分的影响，旨在探索UV-C作为乳品温和加工替代技术的可行性。

**研究方法概述**

研究人员使用了来自瑞士Konolfingen地区当地农场的约1000 kg原料牛乳，经热化处理后分成两部分：一部分用传统巴氏杀菌（72°C，15 s），另一部分用UV-C设备处理（入射剂量3,900 J/m²，入口温度4°C，出口10–15°C），随后两者均经蒸发浓缩至约45%总固形物、均质和喷雾干燥制成奶粉。为了确定合适的UV剂量，研究人员先用接种肠球菌（*Enterococcus faecium* NRRL B-2354，作为沙门氏菌指示菌）的复原脱脂乳以及放置至需氧菌数升高的原料乳进行不同UV剂量（1,200–3,900 J/m²）的灭活实验；同时，用维生素强化乳测试UV对维生素A、C、D₃、E的影响。分析层面，采用pH-stat法测定脂肪酶活性，凯氏定氮法结合酸沉/碱沉测定蛋白变性，离子交换色谱分析氨基酸谱，INFOGEST静态体外消化模型评估蛋白质消化率，ELISA定量IgA/IgG，UHPSFC-MS/MS和HPLC测定维生素含量，并采用INFOGEST消化后上清液方法评估维生素D₃生物可及性。各加工阶段的液态样品和奶粉样品均在相应工序后采集、冷冻或常温保存，用于后续检测。

**研究结果**

**微生物灭活**：研究人员在复原脱脂乳和原料乳中分别测试了不同UV-C剂量对*E. faecium*和需氧嗜温菌（AMC）的灭活效果。结果显示，两种指示菌的对数减少值均随UV剂量增加而增大，在3,900 J/m²时达到5-log减少，且所有批次处理后AMC低于20,000 cfu/mL，符合美国FDA对A级巴氏杀菌乳的细菌数标准，因此该剂量被选用于后续中试加工。

**脂肪酶活性**：以原料乳脂肪酶活性为100%基准，热化处理使活性保留约60%，说明脂肪酶具有高度热敏感性；巴氏杀菌后完全检测不到活性，而UV处理液态乳中的脂肪酶活性保留约56%，与热化乳无显著差异，表明UV-C不破坏脂肪酶。然而，蒸发和喷雾干燥后，无论哪条工艺路线，奶粉中均未检测到残留脂肪酶活性，这有利于避免奶粉储存期间甘油三酯水解，保障货架期品质。

**蛋白质变性**：热化使蛋白质变性率达6.6%，UV处理未显著增加变性程度；巴氏杀菌显著将变性率提高至31.0%，后续蒸发和喷雾干燥进一步升至36.1%。相比之下，UV处理后蒸发和喷雾干燥使变性率从16.7%升至32.7%，最终两种奶粉的变性水平相近。这说明UV处理比巴氏杀菌更温和，但后续热加工（蒸发和喷雾干燥）仍是蛋白质变性的主要因素。

**氨基酸谱**：比较原料乳与UV乳、巴氏杀菌乳、UV奶粉和巴氏杀菌奶粉的氨基酸百分含量，差异均小于10%，仅天冬氨酸在原料乳与UV奶粉间的差异达到10.4%，但仍在分析方法变异范围内。结果表明，UV处理和热处理（巴氏杀菌、喷雾干燥）均不显著改变牛乳的氨基酸组成。

**蛋白质消化率**：原料乳、巴氏杀菌乳、巴氏杀菌奶粉、UV乳和UV奶粉的体外蛋白质消化率无显著差异，说明UV-C处理不损害蛋白质消化性。进一步检测赖氨酸封闭程度，发现巴氏杀菌、UV处理和喷雾干燥均未造成显著差异，这可能是消化率得以保持的原因之一。

**免疫球蛋白A和G**：以原料乳中IgA和IgG初始浓度为准，巴氏杀菌造成显著损失，IgA降低约80%，IgG降低约52%；UV处理则对两者均无可观察的影响。蒸发和喷雾干燥后，巴氏杀菌奶粉中IgA保留仅为10.4%，而UV奶粉中IgG保留率为43.5%，约为前者的4倍。结果表明，UV-C在整个液态和粉末加工中显著优于热巴氏杀菌，能更好地保留免疫球蛋白。

**维生素稳定性与维生素D₃生物可及性**：在不同UV剂量处理下，维生素D₃含量较处理前增加约85%，这归因于光化学转化（7-脱氢胆固醇转变为维生素D₃）；维生素E保持稳定，而维生素A和C分别减少约28%和25%。针对维生素D₃生物可及性，研究人员比较了UV原位生成和添加维生素D₃粉末两种来源，经体外消化后生物可及性分别为84%和87%，无显著差异，且与EFSA报道的80%平均吸收率一致。这表明UV处理不仅能提升维生素D₃含量，还不影响其功能可利用性。

**讨论与结论**

讨论部分指出，UV-C处理在液态阶段能保留脂肪酶和免疫球蛋白等热敏成分，但粉末阶段中蒸发和喷雾干燥会引入高温，导致蛋白质变性水平趋同，并使脂肪酶完全灭活，从而避免奶粉脂解。UV处理增强维生素D₃含量且不损伤其生物可及性，这一特点可作为乳制品的附加功能价值。总体而言，UV-C在达到与巴氏杀菌相当的微生物灭活效果的同时，能显著提高免疫球蛋白的保留率，并维持蛋白质结构、氨基酸组成和体外消化率，是一种有前景的非热加工技术，尤其适用于需要保留生物活性成分的乳品原料及奶粉生产。