牛乳热稳定性

乳的热稳定性及其影响因素与改善牛乳是一种热敏性物料，加热处理与乳制品加工息息相关，几乎所有的乳制品生产都离不开热处理。

最初牛乳热处理的目的是杀死存在于牛乳中的所有致病菌，特别是结核分枝杆菌及其他绝大多数微生物，使牛乳产品达到卫生标准，保证食用安全；现代乳晶工业中，热处理的主要目的是通过杀死乳中微生物、钝化相关酶类及一些化学组分的变化来延长保存期。

高质量的牛乳可经受非常高的加工温度而不凝固，正常情况下的牛乳在100℃、数小时或140。

C、20min的热处理条件下都是相当稳定的。

通过热处理来凝固高质量牛乳的条件比一般加工乳制品的条件苛刻得多，故很少发生高质量牛乳的凝固问题。

加热产生的某些变化可能导致蛋白质的凝固，这些变化包括：pH值下降、磷酸钙沉、乳清蛋白的变性及其与酪蛋白的反应、美拉德褐变、酪蛋白变性(去磷酸化、k—酪蛋白产解、普通水解)、胶束结构变化(Zeta电位变化、水合作用、缔合和解离)。

这使乳制品加工时，热交换器易于发生结垢现象，使热交换效率下降，影响产品生产及产品质量，甚至造成污染问题。

热处理中所发生的化学变化有利也有弊，而高温下发生的化学变化则大多数是不利的。

热处理有利的因素有如下几个方面：热处理可带来某些产品所必需的风味、色泽和黏度；热处理后的牛乳乳酸菌发酵速度较快；杀菌前的预热有助于提高牛乳的高温热处理稳定性等。

所以，研究牛乳的热稳定性及其影响因素与改善，对于乳制品加工有重要意义。

有很多人对牛奶的热稳定性进行了研究，但热凝固的明确机理尚不清楚。

各种组分都影响牛奶的热稳定性。

所有液体乳和乳制品的生产都需要热处理。

这种处理主要目的在于杀死微生物和使酶失活，或获得一些变化，主要为化学变化。

这些变化依赖热处理的强度，即加热温度和受热时间。

但热处理也会带来不好的变化，例如褐变、风味变化、营养物质损失、菌抑制剂失活和对凝乳力的损害，因此必须谨慎使用热处理。

（一）热处理目的1.保证消费者的安全 热处理主要杀死如结核杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、李斯特菌等病原菌，及进入乳中的潜在病原菌、腐败菌，其中很多菌耐高温。

2.延长保质期 主要杀死腐败菌和它们的芽胞及灭活乳中天然存在的或由微生物分泌的酶。

热处理抑制了脂肪自身氧化带来的化学变质,“凝乳素”失活可避免迅速形成稀奶油。

3.形成产品的特性 如乳蒸发前加热可提高炼乳杀菌期间的凝固稳定性，失活细菌抑制剂如免疫球蛋白和乳过氧化氢酶系统来提高发酵剂菌的生长，获得酸奶的理想粘度，促进乳在酸化过程中乳清蛋白和酪蛋白凝集等。

（二）加热引起乳的变化牛乳加工时一个共同的操作过程为预热处理，牛乳由于加热而发生的变化，是加工中极其重要的问题，其中蛋白质的变化尤为重要，因此对于各种乳制品质量都有很大的关系。

1．一般的变化（1）蒸发形成表面薄膜牛乳在40℃以上加热时，表面生成薄膜。

这是由于蛋白质在空气与液体的界面形成不可逆的凝固物。

随着加热时间的延长和温度的提高，从液面不断蒸发出来水分，因而促进凝固物的形成而且厚度也逐渐增加。

这种凝固物中，包含占干物质量70%以上的脂肪和20%～25%的蛋白质，且蛋白质中以乳白蛋白占多数。

为防止薄膜的形成，可在加热时搅拌或减少从液面蒸发水分。

（2）产生褐变加热过程中乳起初变得稍微白一些，随着加热强度的增加和长时间，牛乳颜色变为棕色褐变（特别是高温处理时）。

褐变的原因，一般认为由于具有氨基（NH2–）的化合物（主要为酪蛋白）和具有羟基的（–C=O）糖（乳糖）之间产生反应形成褐色物质。

这种反应称之为美拉德（Mailard）反应。

另外，由于乳糖经高温加热产生焦糖化也形成褐色物质。

除此之外，牛乳中含微量的尿素，也认为是反应的重要原因。

褐变反应的程度随温度、酸度及糖的种类而异，温度和酸度越高，棕色化愈严重。

糖的还原力愈强（葡萄糖、转化糖），棕色化也愈严重，这一点在生产加糖炼乳和乳粉时关系很大。

例如生产炼乳时使用含转化糖高的砂糖或混合用葡萄糖则会产生严重褐变。

为了抑制褐变反应，添加0.01%左右的L–半胱氨酸，具有一定的效果。

（3）出现蒸煮味牛乳加热后会发生风味改变，或轻或重的产生蒸煮味，蒸煮味的程度随加工处理的程度而异。

例如牛乳经74℃15min加热后，则开始产生明显的蒸煮味，这主要是由于β–乳球蛋白和脂肪球膜蛋白的热变性而产生巯基（–SH）。

甚至产生挥发性的硫化物和硫化氢（H2S）。

蒸煮味的程度随加热温度而异，如表4-1所示。

表4-1 加热对牛乳风味的影响加热温度 风味 加热温度 风味未加热 62.8℃30min 68.3℃瞬间 正常正常正常76.7℃瞬间82.2℃瞬间89.9℃瞬间蒸煮味±蒸煮味+ +蒸煮味+ + +（4）营养价值降低，如维生素损失、赖氨酸效价降低；而适当的热处理可以提高乳蛋白的消化率。

（5）微生物学方面，在较低的热处理强度或加热最初乳中一些微生物的生长较快，这是因为细菌抑制剂如乳过氧化物酶-H202-CNS和免疫球蛋白钝化失活；此外，一定条件下热处理可以产生某些物质促进一些菌生长，相反抑制另一些菌生长。

这一现象在微生物污染严重的乳尤为突出，所有这些变化在很大程度上都取决于加热的强度。

（6）经加热浓缩乳的热凝固和稠化趋势会降低；凝乳能力降低，这一点对干酪和酸乳加工影响特别大，而适当热处理则会提高凝乳的保水性。

2．乳的热凝固 乳的热凝固是一个非常复杂的现象,这是因为一些互相作用和条件起了作用。

最重要的因素就是pH值，乳的初始pH值对热凝固时间有相当大的影响，即pH值越低，发生凝固的温度越低。

在温度保持不变的条件下，凝结速率随pH值的降低而增加。

凝聚往往不可逆，即pH值增加不能使形成的凝聚再分散。

加热过程中乳pH值的最初降低主要是由磷酸钙沉淀引起的，进一步的降低是由于乳糖产生甲酸。

实际上，乳很少产生热凝固问题，但浓缩乳如炼乳在杀菌过程中会凝固。

尽管乳与炼乳在热处理过程中大部分的反应机制相同，但二者之间的结果有很大区别。

在原料奶没经预热的浓缩乳中乳清蛋白处于自然状态，若经过120℃加热，其乳清蛋白开始变性并且在酸性范围内强烈聚合，因为在浓缩乳中乳清蛋白浓度高，酪蛋白胶束与乳清蛋白形成胶体结合；而原料乳先经预热，因为乳清蛋白浓度太低尽管乳清蛋白发生变性并与酪蛋白胶束结合，但不形成胶体化，而在进一步浓缩和灭菌过程中因为乳清蛋白已经变性了，不会再与酪蛋白结合发生胶化。

酪蛋白不像球蛋白那样容易加热变性。

但在非常强烈的热处理条件下，它能形成聚合，尤其在胶束内部。

在生产条件下，酪蛋白在消毒过程中凝聚，当凝聚大量出现形成可见的凝胶体，出现这种现象所需时间被称作热凝固时间（HCT）。

3．各种成分的变化（1）乳清蛋白的变化占乳清蛋白质大部分的白蛋白和球蛋白对热都不稳定。

牛乳以62～63℃30min杀菌时产生蛋白变性现象。

例如以61.7℃30min杀菌处理后，约有9%的白蛋白和5%的球蛋白发生变性。

牛乳加热使白蛋白和球蛋白完全变性的条件为80℃60min、90℃30min、95℃10～15min、100℃10min。

前面已经提到，牛乳用80℃左右加热后则产生蒸煮味，且与牛乳中产生的巯基有关，这种巯基几乎全部来自乳清蛋白，并且主要由β–乳球蛋白所产生。

（2）酪蛋白的的变化 正常牛乳的酪蛋白，在低于100℃的温度加热时化学性质不会受影响，140℃时开始变性。

100℃长时间加热或在120℃加热时产生褐变。

100℃以下的温度加热，化学性质虽然没有变化，但物理性质却有明显影响。

例如以高于63℃的温度将牛乳加热后，再用酸或皱胃酶凝固时，凝块的物理性质产生变化。

一般来说，牛乳经63℃加热后，加酸生成的凝块比生乳凝固所产生的凝块来的小，而且柔软；用皱胃酶凝固时，随加热温度的提高，凝乳时间延长，而且凝块也比较柔软。

用100℃处理时尤为显著。

（3）乳糖的变化 乳糖在100℃以上的温度长时间加热则产生乳酸、醋酸、蚁酸等。

离子平衡显著变化，此外也产生褐变，低于100℃短时间加热时，乳糖的化学性质基本没有变化。

（4）脂肪的变化 牛乳即使以100℃以上的温度加热，对脂肪也不起化学变化，但是一些球蛋白上浮，促使形成脂肪球间的凝聚体。

因此高温加热后，牛乳、稀奶油就不容易分离。

但经62～63℃30min 加热并立即冷却时，不致产生这种现象。

（5）无机成分的变化 牛乳加热时受影响的无机成分主要为钙和磷。

在63℃以上的温度加热时，可溶性的钙与磷即行减少。

例如在60～83℃加热时，减少了0.4%～9.8%的可溶性钙和0.8%～9.5%可溶性磷。

这种情况可以解释为，由于可溶性的钙和磷成为不溶性的磷酸钙[Ca 3(PO 4)2]而沉淀，也就是钙与磷的胶体性质起了变化。

将牛乳进行加热(61.7℃30min)和陈化处理(8℃)后，调查乳中的钙、镁、磷及柠檬酸变化，其结果如表4-2所示。

表4-2 加热和陈化处理对牛乳钙、镁、磷肪柠檬的影响 各成分含量（mg/100mL ）项目 钙 镁 磷 柠檬酸 总量124.8 / （-） 10.7 / （–） 90.7 / （–） 158.0 / （–） 生牛乳 46.4 / （37.2） 7.8 / （72.9） 36.8 / (40.6) 145.6 / (92.2) 杀菌后 45.5 / (36.5) 7.5 / (70.0) 37.9 / （41.8） 145.8 / （92.3） 可含溶性量 陈化后 47.6 / （58.1） 6.4 / (59.8) 36.9 / (40.7) 142.8 / (90.4)（三）加热强度1．决定加热强度的因素 加热强度（Heating Intensity）取决于加热持续时间和温度。

不同强度的热处理对乳、微生物及酶活性的影响如图4-5。

图4-5热处理对乳、微生物及酶活性的影响图4-5中标明了罐内灭菌和UHT处理区域，图中标示的温度（30和55℃）分别对应为芽孢生成菌的营养体的最适生长温度。

A线所示是能够引发牛奶褐变的时间/温度组合的低限。

B 线所示是完全灭菌（杀灭耐热芽孢）所要求的时间/ 温度组合的低限。

（1）微生物致死效果 各种微生物在抗热性方面有很大不同。

一般用特征参数D和Z[达到1/10个D所需升高温度（K）]来表示。

各种微生物的抗热性会随加热介质中干物质含量的增加而提高，对温度的敏感性可能降低。

加热过程中微生物抗热性有下列几种情况值得注意：①微生物即便是一个菌株的抗热性也会改变，这可能是因为活菌的基因改变了。

除此之外，还可能因为单细胞在不同条件下生长。

一般来说，在加热时对热最敏感的细胞将首先被杀死，因此剩下的在抗热性上就提高了。

②短时加热牛奶有时会增加菌落数。

注意菌落数被定义为每毫升中形成的菌落单位是很重要的。

因为加热器中的对流作用，以聚集状态存在的微生物会被分散成单细胞，因此菌落数增加。