脉冲电场和冷等离子体处理对山羊奶的影响：基于微生物群、品质、风味及蛋白质消化率的研究

《Food Control》：Effects of Pulsed Electric Field and Cold Plasma Treatments on Goat Milk: A Study Based on Microflora, Quality, Flavor and Protein Digestion

山羊奶经脉冲电场（PEF）和冷等离子体（CP）处理后，微生物灭活效果显著，PEF在22 kV/120 s时杀菌效果最佳（0.67 Log CFU/mL），优于CP的24 V/25 min（2.36 Log CFU/mL）。两者均降低微生物多样性，PEF组菌群分布更接近生奶。物理化学性质方面，PEF使脂肪含量降低8.29%，保留更多生物活性蛋白（免疫球蛋白G 83.33%，免疫球蛋白M 83.87%），但初始黏度增加；CP处理更有效灭活内源性酶并促进蛋白质消化。研究证实PEF和CP可作为巴氏杀菌替代技术。

　　

作者：曹志 | 长正实 | 宋宁 | 杨艳辉 | 葛武鹏 | 赵莉莉

中国陕西省杨凌市西北农林科技大学食品科学与工程学院

摘要

本研究重点探讨了脉冲电场（PEF）和冷等离子体（CP）处理对山羊奶的微生物群、理化性质、感官特性、生物活性蛋白含量、内源性酶活性以及蛋白质消化的影响。与原始牛奶（4.37 Log CFU/mL）相比，22 kV/120 s的PEF处理（0.67 Log CFU/mL）和24 V/25 min的CP处理（2.36 Log CFU/mL）具有最佳的杀菌效果。PEF的杀菌效果优于CP处理，且其降低微生物负荷的能力更强。PEF和CP处理后微生物群落的多样性均有所下降，其中PEF处理后的微生物分布与原始牛奶相似。PEF处理后脂肪含量显著降低（8.29%），而CP处理后脂肪含量降低8.87%；乳糖和蛋白质含量则未发生显著变化。与CP处理相比，PEF处理保留了更多的生物活性蛋白（免疫球蛋白G 83.33%、免疫球蛋白M 83.87%、乳铁蛋白86.84%）。在理化性质方面，PEF处理保持了山羊奶的颜色和挥发性成分，但增加了其初始粘度。然而，CP处理在灭活内源性酶和促进蛋白质消化方面更为有效。PEF和CP处理后某些生物活性肽的丰度均有所下降。这些结果表明，PEF和CP处理都有潜力替代传统的山羊奶巴氏杀菌方法。

引言

山羊奶产业在中国已成为仅次于牛奶的第二大奶制品领域。2021年，中国山羊奶产量达到151万吨，全球产量为2070万吨（FAOSTAT，2021年）。与牛奶相比，山羊奶具有更好的消化性、更低的致敏性、更高的短链和中链脂肪酸含量以及更高的矿物质含量，对人体健康具有更多益处。与牛奶一样，微生物安全性也是生产高质量山羊奶产品的关键指标。巴氏杀菌（63°C/30分钟或72°C/15~20秒）和超高温瞬时杀菌（UHT，137°C/2~8秒）是最常用的确保牛奶安全和质量的方法。巴氏杀菌在温和的热条件下（如72°C/15秒）能减少营养损失和感官变化，同时降低能耗和设备成本。然而，由于山羊奶的乳清蛋白/酪蛋白比例、钙/磷比例、柠檬酸含量和初始pH值与牛奶不同，其对抗常规热处理的敏感性更高（Moatsou，2023年）。先前的研究发现，巴氏杀菌会加剧山羊奶中乳清蛋白的变性并促进其与酪蛋白微胶粒的聚集（Zhao等人，2020年）。将适用于牛奶的巴氏杀菌工艺应用于山羊奶存在显著挑战。因此，需要采用有效的食品加工技术来确保山羊奶的安全性和质量。

非热处理技术是一个新兴且发展迅速的领域，包括超高压（UHP）、脉冲电场（PEF）和冷等离子体（CP）等创新技术。大量研究表明，这些非热技术能够在不升高温度的情况下有效杀菌，并能保留食品的营养和生物活性成分，同时避免非酶促褐变和风味劣化等问题（Masotti等人，2023年；Manzoor等人，2019a；Manzoor等人，2020年）。此外，这些技术还能降低能耗和用水量，更具环境友好性（Manzoor等人，2019b）。因此，非热处理技术可能是传统热处理的替代方案，尤其适用于山羊奶加工。

PEF和CP技术在实现连续生产方面具有优势，在食品加工行业中受到更多关注（Deshwal等人，2021年）。PEF的杀菌机制主要通过电击穿和电穿孔实现（Soltanzadeh等人，2022年）。CP则通过活性氧和氮物种发挥作用（Surowsky、Schlüter和Knorr，2015年）。PEF能有效杀灭牛奶中的沙门氏菌、假单胞菌和大肠杆菌（Soltanzadeh等人，2022年）。PEF结合低温热处理可降低山羊奶中的单核细胞增生李斯特菌和大肠杆菌含量，同时降低50%的总能耗（Araújo等人，2023年）。用CP处理山羊奶0-20分钟后，总细菌数从最初的5.30 log CFU/mL降至2.57 log CFU/mL（Lee等人，2024年）。这些研究证实了PEF和CP处理的良好杀菌效果。然而，关于PEF对山羊奶理化性质影响的研究较少。Mohamad等人（2020年）发现PEF处理后山羊奶的酸度、多不饱和脂肪酸含量和脂肪球大小均发生变化。目前尚无关于CP处理后山羊奶相应性质的研究，但已有针对羊奶的相关研究（Zhang等人，2024年；Wang等人，2022a）。因此，需要提供足够的证据来证明PEF和CP在山羊奶应用中的优势。此外，评估PEF和CP处理后生物活性蛋白、内源性酶活性及蛋白质消化的变化对于山羊奶研究也非常重要。

本研究探讨了PEF和CP处理对山羊奶的微生物杀菌效果、微生物群分布、生物活性蛋白含量、理化性质、内源性酶活性、风味、蛋白质消化及功能性肽段释放的影响。这些结果将为选择适合山羊奶的非热处理技术提供理论依据。

材料与处理方法

新鲜的山羊奶由陕西省杨凌市的康源农场提供，并在4°C条件下运输至实验室。

山羊奶被分为四组：对照组（C，原始山羊奶）、巴氏杀菌组（P，65°C/30分钟）、脉冲电场组（PEF1：18 kV/120秒，PEF2：20 kV/120秒，PEF3：22 kV/120秒）和冷等离子体组（CP1：24 V/10分钟，CP2：24 V/20分钟，CP3：24 V/30分钟）。这些参数的选取基于初步实验结果。

总菌落计数

总菌落计数是评估处理效果的关键指标。随着脉冲电压的升高，PEF处理显著降低了山羊奶中的总菌落数（P < 0.05）（图2A）。在22 kV/120秒条件下，PEF3组（0.67 Log CFU/mL）的总菌落数显著低于P组（1.97 Log CFU/mL）（P < 0.05）。与对照组（4.37 Log CFU/mL）相比，CP处理也显著降低了总菌落数。

结论

本研究旨在评估PEF和CP对山羊奶的安全性、质量、理化特性和消化特性的影响。PEF和CP处理均表现出良好的杀菌和酶失活效果。从微生物群落的角度来看，这两种处理方法降低了山羊奶的微生物多样性，并改变了优势菌种的种类和属水平。经PEF处理的山羊奶微生物组成与原始山羊奶最为相似。

作者贡献声明

宋宁：方法学研究、实验设计。长正实：方法学研究。曹志：初稿撰写、方法学研究。赵莉莉：文章修订与编辑、项目管理和资金申请。葛武鹏：资源协调、项目管理。杨艳辉：方法学研究

未引用的参考文献

Abbring等人，2020年；Bermúdez-Aguirre等人，2011年；Lee等人，2024年；Nikmaram和Keener，2022年；Zhang等人，2024年。

利益冲突声明

我们声明与任何可能影响我们工作的个人或组织没有财务或个人关系。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（项目编号：32202101）和陕西省信息技术部门（WLSN-2024-001）对这项工作的财政支持。所有作者均已审阅并同意最终稿件。同时，感谢西北农林科技大学食品科学与工程学院提供的仪器支持，包括气相色谱-质谱仪（Zhou Yuan）和旋转流变仪（Lu）。