《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Ozone Treatment in Milk Systems: Limitations of Aqueous Disinfection Models and Implications for Dairy Processing
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背景、情境或理论依据：臭氧在乳品加工中的研究日益增多，但建立于水性消毒体系中的原理不能直接迁移至牛奶，除非考虑其具有反应活性且结构复杂的基质。蛋白质、脂质、抗氧化剂及其他牛奶组分可能消耗臭氧，并影响可用于微生物灭活的暴露量。
目的：本综述考察臭氧消毒原理
背景、情境或理论依据：臭氧在乳品加工中的研究日益增多，但建立于水性消毒体系中的原理不能直接迁移至牛奶，除非考虑其具有反应活性且结构复杂的基质。蛋白质、脂质、抗氧化剂及其他牛奶组分可能消耗臭氧，并影响可用于微生物灭活的暴露量。
目的：本综述考察臭氧消毒原理从水性系统向牛奶的迁移，并评估基质组成、物理组织及臭氧转移如何影响微生物响应、产品品质和技术应用。
方法：采用批判性叙述分析，整合水性臭氧化、乳品专项研究、牛奶化学、氧化性微生物损伤及乳品加工应用的证据。直接乳品证据优先采用，在乳品专项证据有限的条件下，使用相关系统研究以支持机理解释。
主要发现：进入处理系统的臭氧不一定等同于转移至产品中或可用于微生物灭活的臭氧。不同乳品基质间抗菌响应的差异，以及已报道的脂质氧化和蛋白质修饰，表明微生物效能与产品品质必须并行评估。直接牛奶臭氧化仍具有应用特异性，而证据支持臭氧在乳品卫生、生物膜控制、奶酪成熟环境和废水处理中的补充性应用。
科学或产业意义：牛奶臭氧化更宜解释为基质控制过程，而非水性浓度-时间（CT）关系的直接延伸。可靠实施需要表征臭氧转移与消耗，同时结合基质组成、微生物响应和产品品质。界定这些关系是确定臭氧能否被验证为可再现乳品加工技术的必要条件。
1. 引言
牛奶及乳制品提供优质蛋白质、脂肪、乳糖、矿物质、维生素和生物活性成分，但丰富的营养组成也支持微生物生长。污染可能发生于生产、挤奶、处理、储存和加工各环节，涉及腐败菌、病原体、嗜冷菌、芽孢菌、真菌及生物膜相关群体。维持微生物安全与品质是乳品加工的核心要求。巴氏杀菌是液态奶减菌的成熟手段，但耐热菌和芽孢可能存活，且加工后可通过设备、灌装系统、生物膜及环境再次污染。热处理还会导致蛋白质变性、聚集、技术功能变化、脂质氧化、美拉德反应、感官变化及热敏成分损失。因此，非热技术如高压处理、超声、脉冲电场、紫外光、冷等离子体和臭氧受到关注。臭氧是强氧化剂，具有广谱抗菌活性，分解为氧气而无持久残留。其微生物灭活源于对细胞包膜、蛋白质、核酸、芽孢结构和病毒衣壳的氧化损伤。水处理中广泛应用的浓度-时间（CT）关系及Chick–Watson、Hom型、Weibull等模型描述微生物响应，但臭氧暴露受pH、温度、溶解有机物、反应器水力学及氧化剂衰减影响。乳品相关研究报道了微生物 reductions，但处理条件、臭氧相态、产品组成、微生物靶标和暴露描述差异很大。牛奶与相对简单的水性系统根本不同：它是含酪蛋白胶束、乳清蛋白、脂肪球、乳糖、矿物质、维生素、抗氧化剂、酶等组分的胶体基质。蛋白质和脂质提供大量臭氧反应位点，分散相及蛋白-脂质界面增加结构复杂性。因此，产品在物理和化学上参与处理，而非仅作为微生物载体。实验观察证实这些竞争反应的重要性：酪蛋白酸钠和掼奶油显著降低臭氧杀菌效果；乳清蛋白分离物的臭氧化改变巯基、表面疏水性和蛋白功能；臭氧化奶油中过氧化值和TBARS升高。不同乳品系统间组成和物理组织差异显著，如驼奶与牛奶在蛋白分布、脂肪特性、抗氧化系统等方面不同。核心问题是进入过程的臭氧与微生物细胞实际暴露之间的关系：在牛奶中，臭氧转移与分解及基质组分反应同时发生，因此施加臭氧、转移至产品的臭氧和用于微生物灭活的份额不能自动等同。本综述考察水性消毒原理向牛奶的迁移，评估基质组成、结构组织、氧化剂转移和竞争反应的影响。
2. 综述方法
采用批判性叙述方法，根据与核心问题的相关性选择证据：水性系统中臭氧暴露和微生物灭活原理如何迁移至牛奶，其中氧化剂可用性受化学活性和结构复杂基质影响。证据分为三个互补层次：水性臭氧化研究用于确立浓度-时间关系、灭活动力学、臭氧衰减及水质和反应器条件影响的参考基础；直接乳品研究在评估牛奶和乳制品直接处理、蛋白质和脂质效应、卫生、生物膜、加工环境和废水应用时优先采用；牛奶直接证据有限时，使用臭氧化学、氧化性微生物损伤、食品基质效应及相关氧化消毒系统研究支持机理解释。文献采用比较方式而非定量分析，因为处理条件、臭氧输送系统、基质、微生物靶标、暴露描述和结果差异较大，未进行荟萃分析。更重视报告了与臭氧暴露、微生物响应、基质组成、产品品质或技术实施相关的实验条件和结果的研究。
3. 水性系统中臭氧行为作为参考模型
臭氧在水环境中是成熟的微生物灭活氧化剂，可控制细菌、病毒和原生动物病原体，包括耐药性强的隐孢子虫卵囊。微生物敏感性差异大：营养态细菌和病毒在较低暴露下失活，而细菌芽孢和隐孢子虫卵囊需更高暴露。受控水处理条件下，微生物灭活可与操作暴露参数关联，并纳入多屏障系统验证。CT概念将消毒剂浓度与暴露时间联系起来，但其有效性取决于对实际暴露的准确性。接触时间受停留时间分布、短流和流体偏离影响；臭氧不稳定，分解速率受pH、温度、碱度、水力条件、紫外辐照及有机和无机碳影响，分解可产生羟基自由基，改变氧化路径。当浓度变化显著时，积分浓度-时间曲线比单一残留浓度乘名义接触时间更充分。灭活曲线可能出现肩部、拖尾或多相行为，Hom型模型或Weibull模型比一级Chick–Watson模型拟合更好。基质复杂性增加时，如废水中有机物快速消耗臭氧，需使用O?:TOC比、UV???差分吸光度和荧光等替代指标。水性系统仍是发展最完备的参考，但CT和动力学模型是有条件的，其价值取决于能否表征微生物实际经历的氧化剂浓度和有效接触时间。向液态食品迁移需考虑气液传质、基质反应、微生物灭活和品质退化。牛奶中，水相与胶体蛋白、脂肪球、蛋白-脂质界面、矿物质、抗氧化剂共存，组成依赖性响应已有报道，但需区分微生物暴露与名义臭氧输入。
4. 生物系统中臭氧反应性的机制基础
臭氧通过氧化多个生物靶点发挥抗菌作用：分子臭氧（O?）优先与富电子基团如不饱和键、芳香结构、胺和巯基反应；羟基自由基更活泼且选择性低。细胞包膜是不饱和膜脂形成氢过氧化物、醛类和氧化磷脂，破坏膜组织和通透性；蛋白质的含硫残基被修饰，影响转运和呼吸；核酸碱基氧化导致DNA损伤，病毒基因组损伤与羟基自由基相关。微生物结构和生理状态改变敏感性：革兰氏阴性/阳性差异与包膜组织有关，但分类本身不能预测抗性；细胞外聚合物（EPS）可消耗活性物种并限制化学接触；孢子聚集增加抗性。营养耗竭改变膜脂组成和抗氧化酶系统，细菌可通过超氧化物歧化酶、过氧化氢酶等响应。天然有机物即使在水中也消耗臭氧。牛奶中，臭氧与微生物靶点及酪蛋白、乳清蛋白、脂质、抗氧化剂等同时反应，见图1（原文图示，此处略），竞争路径见图2（略）。因此机制问题在于，在转移、分解和基质反应同时发生时，有多少氧化剂保留给微生物靶标。
5. 水性消毒模型在乳品系统中的失效
水性臭氧消毒模型不能直接迁移至牛奶，因为化学组成和物理组织不同。图1（略）概念性对比显示，低耗水溶液中溶解臭氧可测量，CT原则适用；牛奶中部分转移臭氧被基质组分消耗。表1（略）总结主要差异。关键限制包括5.1–5.3：
5.1 竞争性臭氧消耗：牛奶蛋白质提供大量反应位点，酪蛋白和乳清蛋白含半胱氨酸、甲硫氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸；臭氧化改变巯基、二硫键、构象和溶解性。抗氧化剂如维生素、酶、肽等也贡献臭氧需求。脂质通过臭氧分解和次级氧化形成氢过氧化物、醛、酮，奶油中过氧化值和TBARS随暴露升高。比较研究显示全脂奶粉中Cronobacter reduction比脱脂低约1 log，全脂奶油中E. coli等灭活低于脱脂奶。因此微生物存活不能仅归因于固有耐药性。
5.2 结构异质性与传质限制：牛奶是多相胶体系统，臭氧处理涉及气液传质、溶解、扩散、混合、化学反应及与分散相界面作用。脂肪和总固体含量、粘度、酪蛋白组织、脂肪球特性、均质、浓缩和干燥改变传质条件。驼奶和牛奶在蛋白质分布、脂肪球特性和流变行为方面不同，可能影响臭氧溶解和传输，但比传质系数尚未获得。脂肪球膜含有蛋白质、磷脂、酶，其界面复杂性存在，但不能证明优先消耗臭氧。微生物聚集或与悬浮物关联可能影响暴露，但缺乏直接证据。需要直接测量臭氧转移、消耗和空间分布。
5.3 对消毒动力学和模型有效性的影响：化学需氧和结构异质性使CT和常规模型在牛奶中的应用复杂化，因为名义条件可能不代表微生物实际暴露。按系统施加臭氧和名义时间计算的CT可能高估抗菌暴露。废水研究已表明有机质可减少有效暴露，牛奶中相同逻辑适用。非线性存活曲线可能出现，但需实验验证。一种基质中验证的条件不能仅凭名义臭氧浓度和时间定量转移至另一基质。增加臭氧输入补偿基质需求并不直接，因为更高氧化暴露同时增加蛋白修饰、脂质氧化和感官变化。预测性描述应区分施加臭氧、转移至产品的臭氧和微生物可用的臭氧。本综述的核心建议不是弃用CT或动力学方程，而是使暴露项充分代表微生物遭遇的氧化条件。牛奶臭氧化宜视为基质控制过程。
6. 臭氧在乳品系统中的应用和技术意义
乳品加工业不同阶段应用臭氧，但处理目标和条件差异大。直接处理牛奶或乳配料需在反应性食品基质内接触微生物；设备、生物膜、环境或废水处理则置于不同组成和技术约束的系统。因此证据应按照应用位置、预期目标和控制氧化剂可用性的基质或界面解释。早期综述和后续系统综述表明，实验基础有限且异质，较高脂肪产品微生物 reduction通常较低。表2（略）列出代表证据。6.1–6.6分别讨论：
6.1 直接处理牛奶和乳品基质：直接臭氧化可在不采用传统热处理温度-时间组合下减菌，但可行性不限于微生物敏感性。臭氧必须转移进产品并在蛋白质等存在下保持可用，同时基质被修饰。研究表明脱脂和全脂奶中三种菌响应不同；脱脂奶粉中Cronobacter灭活更高；浓缩乳和浓缩乳清在臭氧化后微生物减少但理化性质改变；乳清浓缩液干燥前臭氧化改善了微生物质量但改变溶解性、起泡性等。奶油中过氧化值和TBARS升高，乳清蛋白巯基和二硫键改变。主要挑战是确立安全-质量处理窗口，而非简单最大化灭活。当前证据不支持直接臭氧化作为巴氏杀菌的一般非热替代。
6.2 乳品配料与产品修饰：臭氧处理乳配料可能使结构或功能修饰成为目标。乳清蛋白和乳清浓缩液研究表明控制氧化可改变分子结构和技术功能。可重复的氧化变化可能改善功能，但也可能降低溶解性、产生氧化风味或损伤营养成分。现有研究未建立标准化处理-结构-功能关系。此应用应与保存区分，验证标准不同。
6.3 清洗、卫生和生物膜控制：臭氧用于乳品加工表面时，主体食品基质不存在，但残留乳品物质和生物膜结构仍产生氧化剂需求。早期研究显示臭氧化水在0.5 ppm/10 min降低不锈钢表面UHT乳生物膜中假单胞菌；0.6 ppm/10 min显著减少生物膜并与氯相当。中试研究显示常规CIP后10 ppm/10 min臭氧将可回收生物膜细胞降至检测限以下。但清洁与微生物卫生需区分：有机残留可保护微生物并消耗臭氧，臭氧不能替代物理化学去除乳品沉积物。也有研究用臭氧化水去除热变性乳清蛋白沉积物。
6.4 奶酪成熟和加工环境：气态臭氧用于奶酪成熟室，可接触空气微生物和暴露表面。研究显示有效降低空气中霉菌孢子，但表面污染未能单独控制。小试和工业规模中，臭氧对软质奶酪表皮霉菌产生抑菌作用，对酵母响应因规模而异，假单胞菌不受影响，感官品质保持。另有一体化评估微生物、视觉、感官和氧化品质的研究。空气传播 reductions 不能直接外推至表面，处理条件因房间几何、气流和分布而异。
6.5 工艺水和乳品废水：乳品废水含乳糖、蛋白质、脂肪等，臭氧消耗快。O?/UV/H?O?组合提高COD和乳糖去除，支持臭氧作为高级氧化处理链的一部分，而非通用独立工艺。此处理目标不同于牛奶保存，不受安全-质量权衡约束，但需考虑臭氧需求、能量消耗和再利用标准。
6.6 技术定位和实施约束：多样化应用使臭氧无法用单一处理条件描述。放大仍是常见限制，传质和分布依赖反应器几何、流动混合等。安全和材料兼容性也是因素：臭氧是呼吸刺激物，需密闭、监测和通风；反复暴露可能影响弹性体和塑料。潜在可持续效益需谨慎评估：现场发生和缺乏残留有优势，但臭氧发生本身耗电，非热特性不等于低能耗。表3（略）将臭氧与热处理比较，强调巴氏杀菌仍是已验证的安全工艺，臭氧更适合特定功能而非替代。
7. 局限和未来研究展望
现有证据难以比较，因为臭氧暴露、基质特征、微生物响应和产品品质未在同一实验设计中一致评估。未来需要更关注暴露评估、处理效果和过程验证。
7.1 臭氧暴露评估：名义臭氧浓度和时间不足以描述微生物暴露。直接牛奶研究应尽可能区分施加臭氧、转移臭氧、可测量残留臭氧和处理期间臭氧消耗。应一致报告臭氧发生方法、气体流量、样品体积、处理几何、混合、温度、pH、暴露时间和分析方法。基质特征同样重要：脂肪、蛋白质、总固体、抗氧化能力、粘度和物理状态影响臭氧转移或消耗。物种间变异应在此框架内考虑。快速分析技术如近红外和中红外光谱可提供基质描述符。预测建模应基于实验表征的暴露，非线性模型可用于肩部或拖尾曲线，但数学复杂性不能补偿臭氧定义不足。理想数据集应结合基质组成、施加臭氧、随时间变化的转移或残留臭氧、微生物存活和选定质量指标。
7.2 处理效果：直接牛奶臭氧化应根据微生物控制和产品品质同时评估。臭氧可作用于微生物同时修饰敏感成分。微生物靶标应反映预期应用，质量测量应根据基质和产品选择。其他非热处理的比较研究也表明响应随靶标和基质变化。未来实验应避免仅凭单个成分差异归因，除非其消耗贡献已被证明。应伴随脂质氧化、蛋白修饰、功能、挥发性化合物、流变或感官指标。感官和储存稳定性需特别关注，牛奶易感氧化异味，即时灭活不等于延长货架期，需跟踪储存期间微生物恢复或氧化发展。直接处理目标是针对每种相关乳品系统定义安全-质量窗口。
7.3 过程验证：放大需证明实验室响应在几何和操作条件改变时保持可重复。液体系统中臭氧转移依赖反应器配置、气流、混合、界面面积和停留时间分布。中试研究应表征暴露而非简单复制实验室时间。验证标准应反映应用：卫生研究需真实残留、已建立生物膜、代表性表面和适当清洁条件；气态应用需表征空间臭氧分布，因为有效空气控制不一定表示表面等效，且效果在小试和工业间可能有差异。工业验证应纳入吞吐量、设备兼容性、职业暴露和资源消耗。可持续性声明需能、水、化学品等实测数据。进展更依赖于定义暴露、响应和可重复性的实验，而非进一步演示抗菌活性。
8. 结论
臭氧在不同乳品应用中显示出抗菌活性，但其在牛奶中的表现不能直接从较简单水性系统的处理条件解释。牛奶蛋白质、脂质、抗氧化剂和其他反应性组分可消耗臭氧，基质物理组织可能影响氧化剂转移。施加臭氧、转移至产品的臭氧和微生物可用臭氧不应视为等同。现有证据支持将牛奶臭氧化解释为基质控制过程，而非水性浓度-时间关系的直接延伸。这并不否定CT或动力学模型，但其应用需要暴露术语充分代表微生物在基质中遭遇的条件。组成、加工状态和物理组织差异进一步限制脱脂奶、全脂奶、浓缩物、奶粉、乳清基系统和不同物种奶之间的定量条件转移。直接牛奶处理中，微生物效能必须与产品修饰同时考虑，增加臭氧暴露可能促进脂质氧化、蛋白修饰或功能与感官变化。当前证据未提供跨乳品系统有效的验证窗口，也不支持直接臭氧化作为巴氏杀菌的一般替代。其技术作用超越直接牛奶保存：卫生、生物膜控制、奶酪成熟环境和废水处理显示臭氧可在乳品加工链其他环节发挥有用功能，且常避免暴露主体牛奶基质。这些应用各有局限，但为臭氧提供了比直接替代传统保存工艺更清晰的补充作用。未来进展需要将臭氧转移和消耗与基质组成、微生物存活和产品品质在同一处理条件下关联的实验；直接牛奶研究还需储存验证，卫生和环境应用应将代表性残留、生物膜、处理条件、臭氧分布、材料兼容性和职业安全纳入验证。
