超声波杀菌技术在牛乳加工中的应用

牛乳制品的保质期短，容易变质，必须经过适当的杀菌才能提高牛乳的品质，我国目前使用的杀菌方法主要是巴氏杀菌和超高温瞬时灭菌，巴氏杀菌方法最大限度地保留了牛乳的色、香、味及营养成分，然而货架期较短和冷链运输成本高等缺点导致其销售范围的局限性；超高温瞬时灭菌虽然可以保存较长时间但是营养成分及风味也遭到严重破坏。因此研究新型的超声波杀菌技术来保证乳制品的色、香、味及营养成分，延长牛乳的保质期，进而满足人们的生活需求。下面一起来具体了解一下：超声波杀菌技术在牛乳加工中的应用。

1.超声波特性及作用机理

超声波是频率大于20　kHz的声波，是在媒质中传播的一种机械振动。由于其频率高、波长短，除了具有方向性好、功率大、穿透力强等特点以外，超声波还能引起空化作用和一系列的特殊效应，如力学效应、热学效应、化学效应和生物效应等。一般认为，在水溶液内，当超声波强度超过某一空气阀值时，会产生空化现象，即液体中微小的泡核（气或汽泡核）在超声波作用下被激活，它表现为泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。气泡以内则达到高于5000℃的温度以及约l09　K/s的泡内温度变化率，因此会产生高达约l08　N／m2的一个强大的冲击波[1]。超声波的空化效应可以导致细胞的破坏，病毒失活，达到延长牛乳的保鲜期的目的。有研究表明，用超声波进行牛乳消毒，经15～60。处理后，乳液可以保存5天不酸败变质，经一般消毒的牛乳再经超声波处理，在冷藏条件下可保存18个月。

2.超声波在牛乳加工中的应用

2..1超声波频率、功率对牛乳杀菌效果的影响

閤方方等研究表明，频率在40　kHz频率超声对微生物灭活效果好于25　kHz。经过超声作用30　min后，频率40　kH：的超声作用对细菌总数、总大肠菌群和粪大肠菌群灭活率分别达到77.　86%，90.0%、93.　33%。

王蕊等研究结果表明，原料乳的菌落总数随着超声波频率的增加杀菌率增大。从20　kHz至50　kHz杀菌率变化显著，其中50　kHz处理原料乳60　s，杀菌率可达87%，保鲜期为45天，对营养物质无破坏作用。

Skiba　E　A等对牛乳进行超声杀菌。在频率22　kHz和功率90　W，120　W和150　W下进行超声处理，处理的牛奶量为240　mL，160　mL和80　mLo在处理量减少3倍的情况下，达到巴氏杀菌的效果所需超声时间减少了将近3倍。功率增加1.7倍(90～150　W)，240　mL处理时间减少了1.6倍；160　mL处理时间减少了1.8倍；80　ml.处理时间减少了2倍。同时表明，在较少牛奶处理量的条件下，增加超声波的功率达到巴氏杀菌和灭菌的效果所需时间减少，杀菌效率为99.　9998%—100%。

2..2　超声波对牛乳中微生物的杀菌作用

超声波杀菌一直作为工业上杀灭微生物有效方法，超声波既能够抑制微生物活性又可以显著降低或消除热的参与，在食品工业中有显著的应用。由于低频率高能量的超声波在液体介质中会产生空化效应，对于食品的清洗和杀菌是非常有效的。空化效应产生的射流能够清除表面污物和细菌，并且可以达到传统热杀菌和消毒所不能及的缝隙中。在食品消毒杀菌过程中，超声波和杀菌剂结合使用能够高效地清除和杀灭食品中的细菌。单独使用超声杀菌效果不理想可以超声波和其他灭菌工艺结合起来，如采用超声一激光、超声～磁化或者超声一加热等，其协同杀菌的效果较好。其中超声波热处理这一方法省时省钱可以应用在牛乳的加工中。Mason等认为，超声波结合温度处理可以降低加工的温度和时间，能达到与巴氏杀菌等传统加工同样的致死效应。

大肠埃希氏菌。大肠埃希氏菌简称为大肠杆菌，有些致病大肠杆菌能引起腹泻等疾病。Ordonezt[7]用20　kHz、160　W的超声波与温度范围为5～62℃的协同作用，发现超声波与热处理协同作用的杀菌效果均优于两者单独使用，且处理时问及耗能均有所减少。在50℃水浴20　min对大肠杆菌处理后，致死率为80.　6%，处理时间越长，菌体死亡率越高。

菌落总数。刘亚珍研究在刚杀菌冷却的成品中各组的细菌总数有明显的差异，其中超声波加热处理组杀菌效果较明显。对照组（生乳）在贮藏3天内细菌总数便已超过了国家零售标准(≤5×lOs　ml-1)，第9天时菌落总数已达15×los　mL-l。超声波处理组在第9天检测的结果超过国家零售标准(≤5×loo　mL-l)，在第12天菌落总数严重超标。超声波加热处理组的细菌总数在20天的贮藏期内细菌总数均未超过国家零售标准(≤5×lOs　mL-l)。研究表明超声波可有效杀灭牛乳中的细菌从而延长牛乳的保质期。

沙门氏菌。沙门氏菌是一种常见的食源性致病菌，可以使人发生食物中毒，沙门氏菌在自然环境的粪便中可以存活l～2个月，其中涉及鸡蛋、家禽、蔬菜、牛乳。利用超声波杀菌技术对牛乳加工中的沙门氏菌的杀菌得到了广泛的研究。ManascqJ研究了肠炎沙门氏菌对热处理、压力超声波处理、压力热量超声波处理的抗性进行了研究，在压力超声波（117μm，200　kPa）温度40℃下，在全蛋中的D值为0.　76　min，在柠檬酸磷酸盐缓冲液中的D值为0.73　min，而对照组在60℃缓冲液中的D值为0.　068　min，在全蛋中的D值为0.　12　min，细胞数减少3个对数。超声波振幅的线性增加导致压力超声波处理杀菌率呈指数增加。

枯草芽孢杆菌。枯草芽孢杆菌是一种生物活菌剂，可以维持牛瘤胃内的微生态平衡，减少腹泻，预防疾病，提高奶牛的产奶量．作为生物添加剂添加在饲料中。但是其代谢的产物会通过血奶屏障进入鲜奶中，影响乳酸菌增值速度，导致牛乳加工中的乳酸菌凝聚现象缓慢。利用超声波可以有效杀死牛乳中的枯草芽孢杆菌。闫坤等利用超声波协同热处理对液态奶中的枯草芽孢杆菌进行杀菌实验，研究了经不同功率、时间、温度的超声波处理后液态奶的杀菌效果。结果表明，经1400　W，180　s，60℃条件下杀菌率达到了97.　96%；经1400　W，60　s，60℃条件下杀菌率达到了96.　77%，达到了巴氏杀菌的效果。

2..3超声波对牛乳杀菌效果评价

感官评价。以鲜乳作为对照，从色泽、滋味和气味、组织形态三个感官指标综合考察牛奶的品质。鲜乳在贮藏2天后其品质变差，色泽变黄并产生酸败味，而且开始凝结成块。经过热处理的牛奶其品质在贮藏的第12天变差，牛乳表面有淡黄色的膜层，还产生酸败味而且黏稠度增加，失去商品价值。经过超声波处理的牛奶其品质在贮藏8天后变差，颜色发黄有酸败味。然而经过热处理结合超声波处理的组，其感官品质在贮藏的16天内保持良好，呈现牛乳固有的香味，而且色泽仍是乳白色，其组织形态呈均匀的胶态流体，没有沉淀和凝块。[11]超声波结合热处理组在色泽，滋味和气味、组织形态等方面品质保持得最好。

酸度评价。牛乳在杀菌后酸度基本稳定在16。T左右，4℃条件下储存不经过处理的牛乳第3天发生了酸败，酸度高于18。T，超声波组在第9天时酸度高于18。T，第12天两种条件下发生严重酸败。说明仅超声波处理对抑制原料乳酸败变质有一定作用，但贮藏时间较短。热处理组和超声波加热处理组都保存超过了12天，在第15天时，热处理组发生酸败不能食用但酸度变化不大。经超声波结合热处理的样品到第18天酸度仍不大于18。T。

经超声波结合热处理除菌后的牛乳感官、酸度均符合巴氏杀菌乳的要求。

3.结论与展望

巴氏灭菌主要目的在于杀死食品中的致病菌。超声波与温度协同对牛乳中的大肠埃希氏菌、菌落总数、沙门氏菌和枯草芽孢杆菌等微生物的杀菌具有显著的增效作用，同时超声波灭菌不仅不会改变食品的色、香、味，而且不会破坏食品的组成成分。因此可以预期超声波与巴氏杀菌结合处理牛乳可以取得更好的杀菌效果。总之，随着食品工业的发展，超声波技术的应用前景必将更为广阔，必将在牛乳的生产加工中发挥更大的作用，它的应用前景是广阔的。这同时也意味着会有大量的科学工作者从事此项技术的新应用研发，探索并应用超声波技术必将成为本世纪的一个热门话题。

1 超声波特性及作用机理
超声波是频率大于20 kHz的声波，是在媒质中传播的一种机械振动。由于其频率高、波长短，除了具有方向性好、功率大、穿透力强等特点以外，超声波还能引起空化作用和一系列的特殊效应，如力学效应、热学效应、化学效应和生物效应等。一般认为，在水溶液内，当超声波强度超过某一空气阀值时，会产生空化现象，即液体中微小的泡核（气或汽泡核）在超声波作用下被激活，它表现为泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。气泡以内则达到高于5000℃的温度以及约l09 K/s的泡内温度变化率，因此会产生高达约l08 N／m2的一个强大的冲击波 。超声波的空化效应可以导致细胞的破坏，病毒失活，达到延长牛乳的保鲜期的目的。有研究表明，用超声波进行牛乳消毒，经15～60。处理后，乳液可以保存5天不酸败变质，经一般消毒的牛乳再经超声波处理，在冷藏条件下可保存18个月。
2 超声波在牛乳加工中的应用
2.1超声波频率、功率对牛乳杀菌效果的影响
閤方方等研究表明，频率在40 kHz频率超声对微生物灭活效果好于25 kHz。经过超声作用30 min后，频率40 kH：的超声作用对细菌总数、总大肠菌群和粪大肠菌群灭活率分别达到77. 86%，90.0%、93. 33%。
王蕊等研究结果表明，原料乳的菌落总数随着超声波频率的增加杀菌率增大。从20 kHz至50 kHz杀菌率变化显著，其中50 kHz处理原料乳60 s，杀菌率可达87%，保鲜期为45天，对营养物质无破坏作用。
Skiba E A等对牛乳进行超声杀菌。在频率22 kHz和功率90 W，120 W和150 W下进行超声处理，处理的牛奶量为240 mL，160 mL和80 mLo在处理量减少3倍的情况下，达到巴氏杀菌的效果所需超声时间减少了将近3倍。功率增加1.7倍(90～150 W)，240 mL处理时间减少了1.6倍；160 mL处理时间减少了1.8倍；80 ml.处理时间减少了2倍。同时表明，在较少牛奶处理量的条件下，增加超声波的功率达到巴氏杀菌和灭菌的效果所需时间减少，杀菌效率为99. 9998%—100%。
2.2 超声波对牛乳中微生物的杀菌作用
超声波杀菌一直作为工业上杀灭微生物有效方法，超声波既能够抑制微生物活性又可以显著降低或消除热的参与，在食品工业中有显著的应用。由于低频率高能量的超声波在液体介质中会产生空化效应，对于食品的清洗和杀菌是非常有效的。空化效应产生的射流能够清除表面污物和细菌，并且可以达到传统热杀菌和消毒所不能及的缝隙中。在食品消毒杀菌过程中，超声波和杀菌剂结合使用能够高效地清除和杀灭食品中的细菌。单独使用超声杀菌效果不理想可以超声波和其他灭菌工艺结合起来，如采用超声一激光、超声～磁化或者超声一加热等，其协同杀菌的效果较好。其中超声波热处理这一方法省时省钱可以应用在牛乳的加工中。Mason等认为，超声波结合温度处理可以降低加工的温度和时间，能达到与巴氏杀菌等传统加工同样的致死效应。
大肠埃希氏菌。大肠埃希氏菌简称为大肠杆菌，有些致病大肠杆菌能引起腹泻等疾病。Ordonezt用20 kHz、160 W的超声波与温度范围为5～62℃的协同作用，发现超声波与热处理协同作用的杀菌效果均优于两者单独使用，且处理时问及耗能均有所减少。在50℃水浴20 min对大肠杆菌处理后，致死率为80. 6%，处理时间越长，菌体死亡率越高。
菌落总数。刘亚珍研究在刚杀菌冷却的成品中各组的细菌总数有明显的差异，其中超声波加热处理组杀菌效果较明显。对照组（生乳）在贮藏3天内细菌总数便已超过了国家零售标准(≤5×lOs ml-1)，第9天时菌落总数已达15×los mL-l。超声波处理组在第9天检测的结果超过国家零售标准(≤5×loo mL-l)，在第12天菌落总数严重超标。超声波加热处理组的细菌总数在20天的贮藏期内细菌总数均未超过国家零售标准(≤5×lOs mL-l)。研究表明超声波可有效杀灭牛乳中的细菌从而延长牛乳的保质期。
沙门氏菌。沙门氏菌是一种常见的食源性致病菌，可以使人发生食物中毒，沙门氏菌在自然环境的粪便中可以存活l～2个月，其中涉及鸡蛋、家禽、蔬菜、牛乳。利用超声波杀菌技术对牛乳加工中的沙门氏菌的杀菌得到了广泛的研究。ManascqJ研究了肠炎沙门氏菌对热处理、压力超声波处理、压力热量超声波处理的抗性进行了研究，在压力超声波（117μm，200 kPa）温度40℃下，在全蛋中的D值为0. 76 min，在柠檬酸磷酸盐缓冲液中的D值为0.73 min，而对照组在60℃缓冲液中的D值为0. 068 min，在全蛋中的D值为0. 12 min，细胞数减少3个对数。超声波振幅的线性增加导致压力超声波处理杀菌率呈指数增加。
枯草芽孢杆菌。枯草芽孢杆菌是一种生物活菌剂，可以维持牛瘤胃内的微生态平衡，减少腹泻，预防疾病，提高奶牛的产奶量．作为生物添加剂添加在饲料中。但是其代谢的产物会通过血奶屏障进入鲜奶中，影响乳酸菌增值速度，导致牛乳加工中的乳酸菌凝聚现象缓慢。利用超声波可以有效杀死牛乳中的枯草芽孢杆菌。闫坤等利用超声波协同热处理对液态奶中的枯草芽孢杆菌进行杀菌实验，研究了经不同功率、时间、温度的超声波处理后液态奶的杀菌效果。结果表明，经1400 W，180 s，60℃条件下杀菌率达到了97. 96%；经1400 W，60 s，60℃条件下杀菌率达到了96. 77%，达到了巴氏杀菌的效果。
2.3超声波对牛乳杀菌效果评价
感官评价。以鲜乳作为对照，从色泽、滋味和气味、组织形态三个感官指标综合考察牛奶的品质。鲜乳在贮藏2天后其品质变差，色泽变黄并产生酸败味，而且开始凝结成块。经过热处理的牛奶其品质在贮藏的第12天变差，牛乳表面有淡黄色的膜层，还产生酸败味而且黏稠度增加，失去商品价值。经过超声波处理的牛奶其品质在贮藏8天后变差，颜色发黄有酸败味。然而经过热处理结合超声波处理的组，其感官品质在贮藏的16天内保持良好，呈现牛乳固有的香味，而且色泽仍是乳白色，其组织形态呈均匀的胶态流体，没有沉淀和凝块。超声波结合热处理组在色泽，滋味和气味、组织形态等方面品质保持得最好。
酸度评价。牛乳在杀菌后酸度基本稳定在16。T左右，4℃条件下储存不经过处理的牛乳第3天发生了酸败，酸度高于18。T，超声波组在第9天时酸度高于18。T，第12天两种条件下发生严重酸败。说明仅超声波处理对抑制原料乳酸败变质有一定作用，但贮藏时间较短。热处理组和超声波加热处理组都保存超过了12天，在第15天时，热处理组发生酸败不能食用但酸度变化不大。经超声波结合热处理的样品到第18天酸度仍不大于18。T。
经超声波结合热处理除菌后的牛乳感官、酸度均符合巴氏杀菌乳的要求。
3 结论与展望
巴氏灭菌主要目的在于杀死食品中的致病菌。超声波与温度协同对牛乳中的大肠埃希氏菌、菌落总数、沙门氏菌和枯草芽孢杆菌等微生物的杀菌具有显著的增效作用，同时超声波灭菌不仅不会改变食品的色、香、味，而且不会破坏食品的组成成分。因此可以预期超声波与巴氏杀菌结合处理牛乳可以取得更好的杀菌效果。总之，随着食品工业的发展，超声波技术的应用前景必将更为广阔，必将在牛乳的生产加工中发挥更大的作用，它的应用前景是广阔的。这同时也意味着会有大量的科学工作者从事此项技术的新应用研发，探索并应用超声波技术必将成为本世纪的一个热门话题。