FSAP｜超高温灭菌处理和贮藏过程中乳清蛋白溶液的理化性质、风味和稳定性的变化：综述

超高温（ultra-high temperature，UHT）牛乳在全球乳制品市场上日益增长，UHT牛乳可以在室温下保存6～9 个月。牛乳直接或间接经140 ℃ UHT处理数秒，可以杀死大部分细菌和耐热酶。牛乳中的乳清蛋白经UHT处理和贮藏后会发生变性、蛋白水解、老化胶凝、沉淀以及美拉德等一系列物理化学反应。

澳大利亚皇家墨尔本理工大学的Zheng Yangyi对超高温灭菌处理和贮藏过程中乳清蛋白的理化反应机理进行阐述，并对反应相关香味及相关化合物进行分析，提出改善UHT牛乳品质的建议，并寻找合适的处理条件，以预防或减少UHT对乳清蛋白的影响。

Introduction

牛乳是一种复杂的液体食品，约含87%的水分和13%的固形物（9%的非脂肪固体）。作为一种营养丰富的食物，牛乳含有多种重要成分，如钙、VD、VB12、VA、核黄素、钾、磷和蛋白质。食用牛乳可降低骨质疏松症、心血管疾病、高血压、某些恶性肿瘤、中风、肾结石的发病率，控制体质量，降低患2型糖尿病的可能性。

由于牛乳易腐败变质，研究人员专注于研究UHT延长牛乳保质期，而无需进一步冷藏。而UHT灭菌乳仅占7.6%，而巴氏灭菌乳占全球液态乳市场近70%。酪蛋白和乳清蛋白是牛乳中的两种主要蛋白质，分别占80%和20%。在不同加工和贮藏条件下，牛乳和乳制品的质量也会受到牛乳蛋白质性能的影响。乳清蛋白可分为几个关键成分，如β-乳球蛋白（β-Lg）、α-乳清蛋白（α-La）、牛血清白蛋白（BSA）、免疫球蛋白（Igs）、蛋白䏡和蛋白胨。贮藏过程中的变性、老化胶凝、沉淀和异味等理化反应与这些蛋白质组分高度相关。

超高温处理

就液态乳的消费而言，目前世界上90%以上的国家主要消费仍为巴氏灭菌乳。经典的巴氏灭菌是在63 °C下处理30 min或72 °C下处理15 s，在适当的冷藏条件下巴氏灭菌乳可以贮藏12～21 d（图1）。UHT灭菌（135～145 °C持续2～3 s）处理后，UHT牛乳可在室温下保存6～9 个月。直接蒸汽加热系统是通过在足够高的压力下向产品施加蒸汽提高温度，以防止蒸发；由于蒸汽冷凝和潜热的释放，产品可以被加热得非常快。而热量通过板框或多管热交换器中的不锈钢壁在介质（通常是水）和产品之间传递，以加热和冷却产品，这个过程被称为间接加热。这两种方法的主要区别在于能够根据时间和温度模式区分对乳蛋白的影响。直接方法从灭菌温度加热和冷却牛乳的速率明显快于间接方法。由于预热步骤，直接加热方法将比间接加热方法产生更少的化学变化。大多数乳清蛋白（β-Lg）都是组织良好的球状蛋白，这使得它们非常热敏，在乳制品工业加工过程中易受到结构破坏。当暴露在65 °C以上的温度下时，乳清蛋白具有原始结构分解并暴露出游离巯基（—SH）的趋势。变性乳清蛋白和具有暴露巯基的蛋白之间可能会产生二硫键（S—S）。

乳清蛋白结构

乳清蛋白是一种结构复杂的蛋白质，主要包括β-Lg、α-La、BSA、Igs、蛋白䏡和蛋白胨。这些蛋白通常可溶，并具有球状到椭球状的结构。与酪蛋白相比，这些蛋白对钙的敏感性较低，对热的敏感性较高。

β-Lg是主要的乳清蛋白，约占65%。其包含162 个氨基酸残基，形成具有α-螺旋和β-折叠的堆积球状。β-Lg在70 °C以上开始变性，释放巯基，并与其他变性的β-Lg或α-La发生巯基-二硫键交换反应。乳的凝乳酶凝固和热稳定性受到β-Lg变性和随后交联反应的影响。pH值对β-Lg的变性温度也有一定影响，其在pH 6.0时最稳定，在接近pH 4.0时热敏性最强。此外，β-Lg是导致母乳蛋白不耐受或过敏的原因。α-La含有123 个氨基酸残基，约占乳清蛋白的20%，具有扁椭球形三级结构。存在一个将蛋白质分为α-Lope和β-Lope的裂缝。该裂缝作为分子结构与Ca2＋结合，有助于蛋白质稳定和降低变性易感性。

BSA占乳清蛋白的6%，含有582 个氨基酸残基，其通过结合Ca2＋起到pH缓冲的作用。然而，BSA可以通过结合金属和脂肪酸提高脂肪酶的活性，但对牛乳的影响通常很小甚至没有。Igs是一种复杂的蛋白质，包括IgA、IgD、IgE、IgM和IgG。IgG1是牛乳中大多数（80%）的Ig。这些蛋白质在初乳中含量很高，并为新生儿提供免疫力；随后含量很快降低。蛋白䏡和蛋白胨主要由纤溶酶分泌。与α-La和β-Lg相比，这些乳清蛋白组分被认为对UHT灭菌处理和随后数月贮藏过程中乳清蛋白溶液中发生的理化变化影响很小。

超高温灭菌处理和贮藏后乳清蛋白的理化反应

乳清蛋白变性

由于结构化学性质，乳清蛋白易受热而变性。与α-La和β-Lg相比，Igs和BSA由于含量较低也属于热敏蛋白，蛋白胨通常不受热影响。与直接加热方法74%～92%的少量变性相比，商业间接加热程序几乎使所有β-Lg变性。然而，对于间接和直接UHT处理，α-La变性率分别为25%～90%和27%～58%。当加热时，β-Lg膨胀并分解成两个单体，每个单体均含包埋在天然结构中的活性游离巯基以及二硫键。由于暴露的单体在70 °C以上与额外的α-La和β-Lg分子形成二硫键，变性变得不可逆。此外，尽管α-La中缺乏游离巯基，但其仍可通过巯基-二硫键相互作用与β-Lg发生反应。在更高的温度下二硫键断裂，释放出活性游离巯基，这可以引发α-La中天然存在的游离巯基的不可逆聚集。BSA具有一个游离巯基，在α-La存在下，在75 °C下加热15 min后仍然存在，并可能参与分子间相互作用。一项研究表明，热处理温度和时间对乳清蛋白的变性有很大影响。为提高牛乳蛋白质的稳定性并最大限度地减少营养损失，需要适当的热处理方案。酪蛋白胶束中与κ-酪蛋白连接的变性乳清蛋白的数量和乳清相中与κ-酪蛋白连接的数量均受到pH值的显著影响。当牛乳在pH 6.5下煮沸时，大多数变性乳清蛋白优先与酪蛋白胶束结合，而不是在较高pH值（>6.8）下与乳清相中的κ-酪蛋白偶联。乳清蛋白浓度对轻微的pH值变化极为敏感。加热方法也会影响与胶束结合的β-Lg和α-La的比例。间接UHT处理导致更多的α-La和更少的β-Lg与胶束结合，直接UHT处理等强烈热处理通常导致高β-Lg/α-La比率。此外，添加10～20 mg/L的碘酸钾可以成功延长UHT的处理时间，减少过热味的产生，并降低结垢。碘酸钾通过氧化β-Lg的热激活巯基，降低或完全消除“黏性”中间状态与其他蛋白质和热交换器受热表面的相互作用。由于纤溶酶没有失活，加工后的牛乳在贮藏过程中会产生苦味，碘酸盐不是解决结垢和风味问题的可行方案，而过氧化氢可以提供类似于碘酸钾的效果。在浓缩脱脂乳（总固形物含量15%）的UHT灭菌过程中使用50 mg/L过氧化氢可减少结垢并延长处理时间。此外，低剂量（10 mg/L或50 mg/L）的过氧化氢显著降低了UHT灭菌乳中硫挥发物的含量。

蛋白质水解

耐热细菌蛋白酶和天然存在的牛乳蛋白酶纤溶酶催化牛乳蛋白水解降解为肽。在热处理之前，原料乳中的细菌，主要是假单胞菌，会产生耐热的细菌蛋白酶。这些酶可以在贮藏期间进行蛋白水解。释放的疏水肽和物理不稳定性（尤其是贮藏过程中的凝胶化）是苦味产生的主要原因。由嗜冷菌产生的胞外蛋白酶比纤溶酶更具热稳定性，即使在蒸汽灭菌后也能继续发挥作用。硬凝胶一般由细菌蛋白酶产生，而软凝胶由纤溶酶产生。研究表明，与150 °C相比，140 °C的间接UHT过程在贮藏过程中具有更高的蛋白水解速率。除UHT牛乳的预热和加工温度外，乳脂量也对蛋白水解有影响。贮藏时，在相同处理下，UHT脱脂乳比UHT灭菌全脂乳表现出更多的纤溶酶和细菌蛋白酶的蛋白水解。

老化胶凝

老化胶凝是一个显著的贮藏缺陷，会降低UHT灭菌牛乳的保质期。然而，热处理的温度和技术、贮藏温度和其他添加剂，特别是天然纤溶酶或细菌蛋白酶导致的蛋白水解是老化胶凝的主要驱动因素。高固形物含量的浓缩牛乳最易发生这种凝胶化。蛋白酶的失活是降低老化胶凝发生的主要方法。由于直接UHT灭菌乳中纤溶酶的含量和活性增加，直接加工的UHT牛乳的凝胶化速率较间接加工的牛乳更快。与在中间温度的贮藏相比，低温（低于4 °C）和高温贮藏（高于30 °C）已被证明可延缓老化胶凝的发生。蛋白水解引起的老化胶凝通常表现为3 个阶段：β-Lg与酪蛋白胶束表面的κ-酪蛋白相互作用产生κ-酪蛋白-β-Lg复合物；胶束中的酪蛋白暴露于蛋白水解，β-Lg-κ-酪蛋白复合物被释放到乳清中；乳清中β-Lg和κ-酪蛋白的复合物含量达到一定阈值时，复合物就会形成凝胶。六偏磷酸钠（SHMP）是商业上最常用的延缓老化胶凝的添加剂。SHMP与酪蛋白的连接改变了酪蛋白胶束上的净电荷，低浓度的SHMP可使酪蛋白胶束更容易电离，但无法形成离子连接以桥接，这将阻止β-Lg-酪蛋白复合物的释放，并促进酪蛋白和胶束之间的结合，从而延缓UHT牛乳在贮藏过程中的凝胶化。

沉淀

对于UHT灭菌牛乳，在特定范围内贮藏过程中形成沉淀可能是一个严重的问题。沉淀受热处理的程度和类型以及牛乳成分（如pH值和离子钙）的影响。直接UHT处理比间接UHT处理更易形成沉淀。这是由于间接加工中比直接加工中需要更多的热量以达到相同的杀菌活性，研究还表明更高的加工温度会导致更多的沉淀。研究表明，UHT样品中的沉淀主要为含变性乳清蛋白的酪蛋白胶束。在间接UHT灭菌样品中，与酪蛋白胶束相连的变性乳清蛋白浓度越高，聚集和沉淀的可能性就越小。添加酸降低pH值或添加钙盐强化和提高离子钙含量，均会显著促进贮藏过程中的沉淀。在低pH值（6.65）和/或高离子钙水平（>1.5 mmol/L）的直接UHT灭菌牛乳样品沉降较多，这与不稳定的κ-酪蛋白-酪蛋白胶束在钙的控制下聚集有关。通过向牛乳样品中添加碱以提高pH值，或使用螯合剂（如柠檬酸三钠）降低离子钙，可以最大限度地减少直接UHT灭菌牛乳样品中的沉淀。

美拉德反应

美拉德反应在牛乳中为乳糖和赖氨酸、蛋氨酸、色氨酸、精氨酸和组氨酸的氨基反应。美拉德反应产物除作为蛋白质交联剂外，还通过产生甲酸等酸，导致棕色、不良风味和pH值降低。液相色谱-质谱法可用于研究乳糖基化过程。随着热处理强度的增加和贮藏时间的延长，更多的乳糖分子与牛乳蛋白结合。当美拉德褐变发生时，UHT牛乳中的pH值会显著降低。作为美拉德过程的副产物，甲酸和乙酸也会产生。总之，美拉德反应是UHT牛乳在热处理和贮藏过程中质量下降的主要原因之一。

感官评价

在乳清蛋白中已发现乳制品风味和非乳制品风味。有研究者将其风味分类为与新鲜液态乳或乳清相关的风味（甜的、芳香的、煮熟的）和非乳制品风味（纸板味、黄瓜味等）。目前，已有的对乳清蛋白风味描述如下：甜、香、熟、硬纸板、肉汤、卷心菜、黄瓜、苦、脂肪、肥皂和涩味。研究表明，乳清蛋白分离物和乳清蛋白浓缩物之间的风味描述存在差异，这归因于不同乳清来源以及某些加工技术的变化。调味脱脂乳粉和全脂乳粉有“纸板味”，而纸板味一般被用于描述氧化的乳脂。新鲜乳清蛋白产品中未检测到黄瓜和脂肪味。这些非乳制品风味是由氨基酸在硫的存在下分解而成。酪蛋白和酪蛋白酸盐是乳清蛋白分离物中发现的两种高蛋白物质，也是造成风味涩味和苦味的原因。

表1 乳清蛋白的风味描述

挥发性分析

二甲基二硫化物、二甲基三硫化物、甲苯、反-2-己烯醛、己醛、二烯醛、辛醛、壬醛、2-庚酮、苯甲醛、1-辛烯-3-酮、2-戊基呋喃、2-乙基-1-己醇、2-壬酮和2-十一烷酮是发现的挥发物。2-庚酮和2-壬酮与纸板味有关，它们是游离脂肪酸衍生物。在液体和干乳清蛋白中均发现了甲基硫、二甲基硫和二甲基三硫化物。在乳制品中发现的最早物质之一是甲二磺醛，是一种由甲硫氨酸分解产生的Strecker降解产物。二甲基二硫化物和二甲基三硫化物分别呈洋葱味和卷心菜味。甲硫氨酸首先形成二甲基硫化物和甲硫醇，然后形成二甲基二硫化物和二甲基三硫化物，从而产生为这些物质。苯甲醛是通过氨基酸的分解或苯甲酸的还原形成，苯甲酸是牛乳中天然存在的一种物质。二烯醛、1-辛烯-3-酮和(Z)-4-庚烯醛都被确定为氧化乳制品中异味的潜在来源。乳清蛋白分离物中辛酸和癸酸含量较高也会产生肥皂味。此外，通过加热产生的吡咯啉、吡嗪和呋喃酮等物质，会产生热牛奶味和甜香味。吡咯啉具有非常低的嗅觉阈值，在新鲜液体乳清和新鲜低热量脱脂奶粉中产生煮熟味。己醛是n-6脂肪酸氧化的副产物，而反-2-己烯醛是n-3脂肪酸氧化产生的副产物。此外，收敛性与脂质氧化有关。带正电荷的乳清蛋白聚集体与带负电荷的唾液蛋白分子相互作用，产生收敛性。然而，高乳清蛋白含量的饮料由于其涩味和令人不快的回味而给感官带来挑战，因此，需在制作乳清蛋白饮料时使用特定的加工程序进行风味修饰和掩蔽，以克服这些问题。

贮藏过程中的变化

乳清蛋白的纸板味随着贮藏时间的延长而变得更强，而所有的甜香味均会变得更弱。尽管在新鲜样品中没有发现黄瓜、脂肪味和葡萄干味，但随着贮藏这些风味逐渐形成。在团聚物和卵磷脂团聚物样品中，纸板味随贮藏时间的延长较未团聚样品更明显。贮藏过程中产生的许多风味（脂肪、纸板和黄瓜味）暗示可能发生了脂质氧化。丁二酮、反-2-己烯醛、己醛、2-庚酮和2-壬酮是挥发性化学物质，其相对丰度在贮藏2～3 个月后下降。许多脂质氧化化学物质可能由于其高反应性而分解或与其他分子反应。

超高温灭菌牛乳市场面临的挑战

根据Future Market Insights的统计数据，UHT灭菌牛乳的市场预计在2022年将达到662亿 美元，并以7.6%的复合年增长率增长。随着人们对健康的兴趣随着时间的推移而增加，到2032年底，UHT牛乳市场预计将达到1377亿美元。对更健康的便携式饮料替代品的需求将推动市场增长。UHT灭菌牛乳变质现象中最常见的是沉淀、凝胶化和脂肪分离，导致极大的经济损失。实施高质量的UHT灭菌牛乳生产可能会将牛乳的贮藏稳定性延长10～12 个月。用于延缓UHT灭菌牛乳中脂肪分离的一些技术包括超声波、膜乳化、宏观流化、高速混合、在400～600 MPa下进行超高压均质化（UHPH）和200 MPa的高压均质化。微滤可有效降低牛乳的胶凝和沉淀。蛋白质之间的相互作用可能会受到牛乳中脂肪含量的影响。在UHT前后分别进行250 MPa和400 MPa的双重均质处理，可在18 个月内成功避免UHT牛乳中的脂肪析出。使用这些加工技术可以提高UHT灭菌牛乳的贮藏稳定性。

Conclusion

提高牛乳及其产品保质期的一种有效方法是进行UHT处理。产品在贮藏过程中会发生不良的不可逆转变化，从而缩短产品的保质期。通过UHT处理，产品的保质期可以成功延长至6～9 个月。沉淀、乳析、异味和老化胶凝是UHT带来的几个重要问题。通过采用高质量牛乳和生产工艺，防止外源酶引起的老化胶凝，以及通过应用适当的热处理完全灭活纤溶酶，老化胶凝可以得到有效控制。由于乳清蛋白的热敏特性，很难防止异味，如2-庚酮、己醛和二甲基二硫化物。需研究风味发展的机制，并在随后的贮藏过程中监测相关的化学相互作用。

Abstract

A growing product on the worldwide dairy market is ultra-high temperature (UHT) milk, which can be kept at room temperature for 6 to 9 months. As the milk undergoes either direct or indirect UHT treatment at 140 ℃ for a few seconds, could kill the majority of bacteria and heat-resistance enzymes. The whey protein in milk will experience a series of physiochemical reactions such as denaturation, proteolysis, age gelation, sedimentation and Maillard after UHT treatment and following storage. The aims of this review were to screen occurred reactions in whey protein, allocate the generated flavor and analysis the volatile compounds. This review explained the mechanisms of the physiochemical reactions, and analysed the related flavor and relevant compounds of the flavor. Also, proposing several suggestions to improve UHT milk quality and find out suitable treatment conditions to prevent or minimize the effects of UHT on whey proteins.

翻译/编辑：李婉君；责任编辑：张睿梅

为进一步深入研究食品产业科技创新基础理论，保障食品质量与安全，研发具有营养和保健功能的食品，推动食品科学研究的进步，带动食品产业的技术创新，更好地保障人类身体健康和提高生活品质，北京食品科学研究院和中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志在成功召开前十届“食品科学国际年会”和四届“食品科学与人类健康国际研讨会”及二十余次食品专题研讨会的基础上，将与国际谷物科技协会（ICC）、南京农业大学、南京财经大学、江苏省农业科学院、徐州工程学院、东南大学营养与食品卫生系于 2023年8月5-6日在中国江苏南京 共同举办“第十一届食品科学国际年会”。