高蛋白豆浆超高压杀菌工艺研究

沈建华 上海清美绿色食品(集团)有限公司， 上海 201300

超高压技术(Ultra-high Pressure，UHP)，是指利用100 MPa以上的压力，使被处理食品中的酶类、蛋白质以及淀粉等大分子物质在常温或较低温度下发生失活、变性或糊化，同时对细菌等微生物产生致死效应的一种非热食品处理方法[1-2]。与传统的杀菌技术相比，超高压杀菌技术对影响食品感官、风味、营养的物质破坏力较小，具有避免食品营养流失保持营养品质、保持食品原有感官风味、改善食品质量等优点，目前已成功用于果蔬汁、乳制品、水产品的杀菌过程[3-6]。

高蛋白豆浆是清美集团基于当今社会成年人和正在发育的青少年身体生长以及对牛奶易敏人群等特殊需求，而开发出的一款蛋白质含量高达5 g/100 mL、脂肪2.6 g/100 mL、碳水化合物3.4 g/100 mL的新型营养豆浆。目前，在工业化生产过程中杀菌工序是保证食品安全的关键环节。但是传统的热杀菌技术容易导致营养物质结构的破坏，而且由于高蛋白豆浆的蛋白质含量比较高，在加工过程中容易发生糊管状况。为了解决上述问题，满足消费者对高蛋白豆浆营养、安全的需求，本研究采用超高压杀菌技术对清美高蛋白豆浆进行处理，探索超高压杀菌处理工艺在高蛋白豆浆生产中的运用，以此促进超高压杀菌技术在高蛋白豆浆工业化生产方面的创新与应用。

1 材料与方法

1.1 材料

大豆(东升1号)、食用盐、纯净水：上海清美绿色食品(集团)有限公司提供；平板计数琼脂(PCA)：上海博微生物科技有限公司。

1.2 仪器设备

小型大豆脱皮机，阜市鲁华机械有限公司；磨浆机，上海龙育机械设备有限公司；高压均质机，上海张堰轻工设备有限公司；多功能煮浆机，曲阜友盛机械设备有限公司；超高压杀菌设备(实验机型)，山西力德福科技有限公司；恒温培养箱，上海全脉科学仪器有限公司；鼓风干燥箱，上海全脉科学仪器有限公司；电子天平(万分之一)，上海颖领电子衡器有限公司；超净工作台，苏州金大净化工程设备有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1高蛋白豆浆生产工艺

1.3.2单因素试验

(1) 压力对高蛋白豆浆杀菌效果的影响

将调配均质后的瓶装高蛋白豆浆置于超高压UHP设备工作腔中，添加热水至温度为60 ℃，压力分别设定为100 MPa、200 MPa、300 MPa、400 MPa和500 MPa，保压10 min，取出后快速冷却至室温，测定处理前后的菌落总数和大肠菌群数，计算杀菌率，结果重复三次取平均值。

(2) 保压时间对高蛋白豆浆杀菌效果的影响

将调配均质后的瓶装高蛋白豆浆至于超高压UHP设备工作腔中，添加热水至温度为60 ℃，在400 MPa压力下，分别保压5 min、10 min、15 min、20 min和25 min，取出后快速冷却至室温，测定处理前后的菌落总数和大肠菌群数，计算杀菌率，结果重复三次取平均值。

(3) 温度对高蛋白豆浆杀菌效果的影响

将调配均质后的瓶装高蛋白豆浆至于超高压UHP设备工作腔中，添加热水分别至温度为40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃和80 ℃，在400 MPa压力下，保压10 min，取出后快速冷却至室温，测定处理前后的菌落总数和大肠菌群数，计算杀菌率，结果重复三次取平均值。

1.3.3正交优化试验

基于单因素试验结果，以压力、保压时间和温度为自变量，以菌落总数杀菌率作为评价指标，设计L9(33)三因素三水平正交优化试验，对高蛋白豆浆超高压杀菌工艺进行优化。具体试验参数如表1所示：

表1 正交试验因素水平表

1.3.4检测方法

菌落总数测定根据GB4789.2—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》，大肠杆菌测定根据GB4789.3—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 大肠菌群计数》 。

杀菌率计算公式：杀菌率(%)=(对照组菌落数—试验组菌落数)/对照组菌落数×100%

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1压力对高蛋白豆浆杀菌效果的影响

由图1可以看出，压力在100 MPa ～400 MPa之间，随着压力的增加，菌落总数和大肠菌群杀菌率均显著提高，当压力为100 MPa时，菌落总数的杀菌率只有21.15%，大肠菌群的杀菌率只有20%，当压力达到400 MPa时，菌落总数杀菌率达到96.67%，大肠菌群的杀菌率达到100%，菌落总数从初始的1.56×103CFU/mL降低到0.52×102CFU/mL，大肠菌群未检测出，达到国标GB/T 30885—2014《植物蛋白饮料-豆奶和豆奶饮料》对菌落总数和大肠菌群的限量标准，当压力继续增加到500 MPa时，菌落总数可以降低到0.15×102CFU/mL， 杀菌率可以达到99.04%，由于超高压杀菌的机理就是通过超高压使细胞形态发生改变，进而破坏细胞壁和细胞膜的结构，导致微生物死亡，因此，一定范围内压力越高，对于微生物的致死率越高。但当压力≥400 MPa时，对于菌落总数的杀菌效果差异并不显著，这主要是由于在此时的压力下，大部分对压力敏感的微生物已经被杀灭，而对压力不敏感的芽孢杆菌及部分革兰氏阳性菌，由于对压力的耐受性比较强，在保证产品品质不受影响的压力范围内所能施加的压力还不足以达到其耐压上限，因此继续加压对其杀菌效果无显著影响，这与姜雪等人[8]的发现一致。而且当压力达到500 MPa时，高蛋白豆浆已经开始一定程度上发生凝固，可能由于压力过高，造成蛋白质发生变性凝固，因此对于高蛋白豆浆的超高压杀菌，最佳压力选定为400 MPa。

图1 压力对高蛋白豆浆菌落总数和 大肠菌群杀菌效果的影响

2.1.2保压时间对高蛋白豆浆杀菌效果的影响

由图2可以看出，保压时间达到10 min时，菌落总数杀菌率即可达到96.76%，菌落总数由1.39×103CFU/mL降至0.45×102CFU/mL，大肠菌群杀菌率可达到100%，完全被杀灭。保压时间在10 min ～25 min之间，菌落总数杀菌率虽然有所提升，但杀菌效果差别不大，无显著差异，这主要是由于保压时间可以延长和强化超高压对微生物的胁迫作用，一定范围内保压时间越长，杀菌效果越显著，但是当保压时间≥10 min时，杀菌效果趋势放缓，差异不大，这可能是因为在一定保压时间内，对压力敏感的细菌已经基本被杀灭，对耐压菌来说，持续延长同一保压时间，胁迫作用效果不明显，意义不大。乔长晟等[9]也发现了这个现象，这可能是由于长时间的保压促使部分微生物产生应激反应而适应压力作用。因此，综合考虑保压时间对菌落总数和大肠菌群杀菌效果的影响以及缩短生产周期方面，保压时间选择10 min。

图2 保压时间对高蛋白豆浆菌落总数和

2.1.3温度对高蛋白豆浆杀菌效果的影响

温度是影响超高压处理致死微生物效果的因素之一, 其对微生物生长代谢和存活与否有着重要的影响[10]。由图3可以看出，温度从40 ℃升至60 ℃时，高蛋白豆浆的菌落总数和大肠菌群数显著降低，当温度达到60 ℃时，菌落总数从最初的1.5×103CFU/mL降至0.47×102CFU/mL，杀菌率达到96.87%，大肠菌群杀菌率达到100%，完全满足植物蛋白饮料的灭菌要求。这主要是由于微生物受到热与超高压的协同作用后，细胞内外压强差增大，使细胞壁和细胞膜的结构发生变化，遭到破坏，细胞内容物外泄，进而导致菌体死亡[11]。此外，适当的提高温度有利于促进芽孢萌发，从而破坏其芽孢结构，降低其耐压特性，提高芽孢菌的死亡率[12]。当温度大于60 ℃时，高蛋白豆浆的菌落总数下降趋势平缓，随着温度的升高杀菌率变化差异不显著，因此确定60 ℃为高蛋白豆浆超高压杀菌工艺的最适协同温度。

图3 温度对高蛋白豆浆菌落总数和

2.2 正交优化试验结果

以高蛋白豆浆为研究对象，基于压力、保压时间、温度单因素试验确定的最佳参数，结合超高压设备供应商经验推荐确定自变量水平，因试验过程中发现所选自变量各水平组合下的大肠菌群数均未检出，因此正交试验中对其不做分析，根据对菌落总数的杀菌率确定最佳正交水平，试验结果见表2。

根据表2正交优化试验结果分析可知，高蛋白豆浆超高压杀菌最佳工艺参数组合为A3B3C2，即最佳压力为420 MPa，最佳保压时间为12 min，最佳温度为60 ℃，在此工艺条件下，菌落总数致死率可达到98.18%，高蛋白豆浆的菌落总数从最初的1.48×103CFU/mL降至0.27×102CFU/mL。根据极差分析，超高压杀菌过程中各因素对杀菌效果的影响依次为压力>温度>保压时间，即压力对于杀菌效果的影响最大，温度次之，保压时间影响最小。

表2 正交优化试验结果

3 结论

本文对高蛋白豆浆超高压杀菌工艺进行了初步研究，确定了最佳UHP工艺条件为压力420 MPa，保压时间12 min，温度60 ℃，在此参数条件下可以达到最佳杀菌效果，达到GB/T 30885—2014 《植物蛋白饮料-豆奶和豆奶饮料》对菌落总数和大肠菌群的限量标准，即菌落总数<100 CFU/mL，大肠菌群<3 MPN/mL，并能够解决传统杀菌技术由于温度高容易导致蛋白质变性，引发高蛋白豆浆糊化黏壁的问题。