FSAP | 东北农业大学李春教授、孙晓萌博士：感应电场和高压微射流技术在乳制品加工中的应用

东北农业大学食品学院、乳品科学教育部重点实验室向荟宇等评估感应电场（induced electric field，IEF）与高压微射流（high-pressure microjet，HPM）技术在杀菌效率方面的表现，并对经过热杀菌与低温杀菌的牛乳样品进行杀菌效果及其物理化学属性的比较分析。研究通过制备巴氏杀菌、超高温瞬时杀菌（ultra-high temperature，UHT）、IEF和HPM处理的牛乳样品，对总菌落计数、颗粒尺寸、热特性、蛋白质二级结构及微观结构等关键指标进行了测定。本研究的成果旨在为新型杀菌技术的评估提供理论支撑，为食品工业领域提供更为安全与高效的杀菌技术方案。

Introduction

食品加工技术的创新在提升食品品质与安全性方面扮演着至关重要的角色。随着消费者对健康及食品安全意识的提升，食品产业正面临前所未有的挑战与机遇。在众多食品加工技术中，热杀菌技术会导致乳制品的感官特性和营养价值的损失。因此，迫切需要开发一种新型的乳制品杀菌技术以规避热杀菌技术所引发的负面效应。

IEF是依据法拉第电磁感应定律及洛伦兹力定律所开发的电场技术。该技术通过交变电场激发交变磁场，乳制品中的带电粒子定向移动，并在电阻作用下切割磁感线，从而产生交变电场。此过程利用电击穿技术对乳制品中的致病菌进行低温灭活。另一方面，HPM在食品均质化领域展现出显著的应用潜力。尽管如此，目前针对HPM在杀菌领域的研究尚不充分。基于对高静水压技术杀菌效果的类比，推测HPM可能具备相似的杀菌能力。因此，深入研究HPM的杀菌效果对于食品工业的进一步发展具有重要的学术价值和实际意义。

A.巴氏杀菌；B. UHT；C. IEF；D. HPM。

图1 4 种杀菌技术示意图

Results

在杀菌效果方面，各类方法均表现出显著的杀菌能力。本研究继而对不同处理方式下乳制品的理化指标进行深入探究。研究结果表明，经HPM处理后的乳制品粒径最小，其原因在于高压处理导致蛋白质和脂肪颗粒尺寸显著减小。相比之下，巴氏杀菌处理后的牛乳粒径最大，这可能是由于高温处理引起牛乳蛋白质变性并导致其聚集。此外，IEF处理后的乳制品中蛋白质也可能因电场作用而发生聚集现象。

图2杀菌处理后乳制品粒径示意图

实验结果揭示，IEF技术能够显著提升乳脂的热稳定性。在牛乳脂肪的熔融与结晶过程中，其多态性特征表现得尤为明显。通过IEF处理，乳脂的晶体结构得以转化至更为稳定的形态。此外，乳制品中的蛋白质在热处理过程中与乳糖分子发生美拉德反应，这一现象表明糖基化反应对于增强蛋白质热稳定性具有积极作用。

A. 原料乳；B. 巴氏杀菌乳；C. UHT杀菌乳；D. IEF杀菌乳；E. HPM杀菌乳。

图3不同灭菌方法处理牛乳样品的差示扫描量热法曲线

经不同灭菌处理后，蛋白质样品的特征峰位移揭示了其结构受到相应影响。HPM样品的特征峰位移可能归因于蛋白质在高压条件下的解聚现象。而巴氏灭菌和超高温灭菌则促进了乳糖与蛋白质之间的美拉德反应。IEF则导致了牛乳蛋白质结构的改变。在HPM、IEF、巴氏杀菌和原料乳样品之间，二级结构相对含量无显著性差异。然而，UHT杀菌乳中β-折叠结构相对含量显著低于生牛乳，这说明了分子间氢键数量的减少。据此可以推断，乳糖与蛋白质之间的美拉德反应可能诱发了蛋白质分子的部分解聚现象。

图4不同灭菌方法处理牛乳样品的傅里叶变换红外光谱（A）和二级结构含量（B）

在共聚焦激光扫描显微镜图像中，由于高压环境的影响，观察到HPM处理后的颗粒存在困难，因此未展示相关结果。在巴氏灭菌样品中，蛋白质颗粒较大，但大多数颗粒尺寸较小，排列更为紧密。经过UHT处理后，样品中脂肪球、蛋白质的蛋白质颗粒尺寸较大，分布相对松散。此现象可归因于热处理过程中蛋白质与乳糖发生美拉德反应，导致蛋白质聚集和变性。进一步观察发现，UHT样品中存在不规则形状的脂肪球，这可能是由于超高温处理导致脂肪球表面膜结构的破坏。在电场作用下，IEF作为一种低温灭菌方法，使得IEF样品中的脂肪球颗粒更细小且分布更为分散。这是由于电场作用于蛋白质分子的带电基团，引起蛋白质的吸附和聚集。随着温度的升高，牛乳中的蛋白质逐渐聚集于脂肪球表面，形成脂肪球与蛋白质的结合。因此，巴氏杀菌和UHT样品中的脂肪球颗粒较大，而IEF处理的样品中脂肪球颗粒更细小，分布更分散。

图5灭菌牛乳中乳脂肪球（A）和乳蛋白球（B）的共聚焦激光扫描显微镜图像

Abstract

This study aimed to investigate the difference between low-temperature sterilization methods including induced electric field (IEF) technology and the high-pressure microjet (HPM) and traditional thermal treatment including pasteurization and ultra-high temperature (UHT) sterilization on the sterilization effect and physicochemical properties of milk. The number of harmful colonies, particle size, thermal properties, protein secondary structure, and microstructure were characterized. Results demonstrated that low-temperature sterilization methods were equally effective as thermal sterilization methods. Differential scanning calorimetry results indicated that UHT treatment had enhanced the thermal stability of proteins in milk, while IEF treatment had improved the thermal stability of fats in milk. IEF sterilizing milk (IM) sample exhibited the largest particle size, followed by UHT sterilization milk (UM), raw milk (RM), and pasteurization milk (PM) according to the results of microstructure and size distribution. HPM sterilizing milk (HM) had the smallest particle size due to high pressure. Fourier transformed infrared spectra revealed that UHT sterilization changed the structure of milk protein due to the interactions between proteins, and protein-lactose. Conversely, the low-temperature sterilization methods had less effect on the protein structure. In conclusion, IEF and HPM have the similar sterilization effects to that of thermal sterilization methods, but has less effects on heat sensitive proteins, which has reference significance for the updating of sterilization technology in food field.

作者介绍

李春 教授

东北农业大学食品学院

李春，教授，博士生导师，美国犹他州立大学和北达科他州立大学访问学者。现任黑龙江省绿色食品科学研究院乳品加工技术研究中心主任，“特质益生菌与发酵食品”团队带头人，乳品科学教育部重点实验室乳品微生物团队带头人。黑龙江省自然科学杰出青年、“东农学者计划”高层次人才。国家乳业技术创新中心乳品工艺技术与装备专家。研究方向为功能性乳基料开发与应用研究、益生菌定向筛选和功能研究、新型发酵食品研制。先后主持国家自然科学基金面上项目/青年项目、国家外专项目、黑龙江省自然科学杰出青年项目、“十四五”国家重点研发计划子课题、科技兴蒙行动重点专项资金项目、中央引导地方科技发展专项资金、黑龙江省重大支撑项目子课题等国家/省部级课题40余项。获得黑龙江省自然科学类等6 项；发表SCI/EI论文100余篇，授权专利20余项，转化6 项。主编和副主编著作5 部。

孙晓萌 讲师

东北农业大学食品学院

孙晓萌，东北农业大学讲师。丹尼斯克（中国）有限公司博士后，黑龙江省高层次人才，黑龙江省巾帼科技助农助企服务团成员，黑龙江省企业科技特派员。担任Foods专刊：Novel Processing and Quality Assurance of Milk and Milk Products客座编辑，Food Science of Animal Products、Journal of Future Foods、《乳业科学与技术》等杂志青年编委，Food & FunctionInternational Journal of Dairy Technology、International journal of Molecular Sciences、Talanta、AIMS Agriculture and Food、Foods、Molecules等杂志审稿专家。主要研究方向包括：不同地区及不同加工处理对山羊乳脂质组学的差异性研究；不同民族母乳低聚糖与婴儿肠道菌群的差异性研究；加工处理对山羊乳脂质分布及低分子量营养组分的影响研究；婴儿配方乳粉的研制及加工处理对乳粉理化及功能特性的研究；新型低温杀菌技术对乳制品营养成分及理化特性的影响研究等。主持黑龙江省博士后面上项目1 项，东北农业大学“青年才俊”项目1 项，参与参与国家重点研发课题两项、国家自然科学基金面上项目1 项、黑龙江百千万重大专项课题2 项，获得发明授权专利2 项，以第一或通信作者发表SCI论文11 篇，其中一区7 篇。指导学生参加2024第十四届工银融e行“挑战杯”大学生创业计划竞赛获得国家铜奖2 项，2024“建行杯”中国国际大学生创新大赛（互联网＋）获得国家铜奖1 项。

向荟宇 本科生

东北农业大学食品学院

向荟宇，东北农业大学食品学院食品质量与安全专业本科生，主要研究方向为多糖蛋白互作机理及其复合物在食品中的应用；感应电场低温杀菌技术在食品的应用。目前发表SCI 论文2篇，其中以第一作者在一区杂志发表1篇。获得2024第十四届工银融e行“挑战杯”大学生创业计划竞赛获得国家铜奖 2 项，2024“建行杯”中国国际大学生创新大赛（互联网＋）国家铜奖 1 项，国家数学建模省级二等奖，CIFST-国家乳品创新中心国家级最佳团队项目，第十五届服务外包创新创业大赛国家级三等奖，食品安全与营养中国行志愿服务比赛国家级三等奖，sipt国家重点支持项目，数学建模东三省联赛省级一等奖。

文章内容由作者团队提供。

编辑：阎一鸣； 责任编辑：刘莉

为深入探讨未来食品在大食物观框架下的创新发展机遇与挑战，促进产学研用各界的交流合作，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，西华大学食品与生物工程学院、四川旅游学院烹饪与食品科学工程学院、西南民族大学药学与食品学院、四川轻化工大学生物工程学院、成都大学食品与生物工程学院、成都医学院检验医学院、四川省农业科学院农产品加工研究所、中国农业科学院都市农业研究所、四川大学农产品加工研究院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食品工程学院、大连民族大学生命科学学院、北京联合大学保健食品功能检测中心共同主办的“第二届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日在中国 四川 成都召开。

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