《Food and Bioproducts Processing》：Fouling And Cleaning Studies of a Plant-Based Beverage Using Quartz Crystal Microbalance with Dissipation (QCM-D)
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燕麦基植物奶在65-85°C及不同流速下的结垢特性及NaOH清洗效果研究。采用QCM-D技术分析发现，结垢速率和沉积量随温度及流速升高而增大，燕麦奶沉积层在NaOH清洗中表现出与牛奶混合物不同的软质特性。研究揭示了植物基饮料与传统牛奶在结垢机制及清洗适应性上的显著差异，为优化植物基饮料加工设备CIP工艺提供理论依据。
M. Joshi | R. Kamath | H. Huellemeier | D.R. Heldman
美国俄亥俄州哥伦布市俄亥俄州立大学食品科学与技术系，邮编43210
摘要
清洁在食品加工设备的日常运行和维护中起着至关重要的作用，尤其是在发生污染之后。污染是指在传热表面上沉积物的积累，这种情况在饮料的热处理过程中尤为常见。由于消费者对牛奶替代品的需求增加，植物基饮料的生产和加工也越来越普遍，但针对这些饮料的科学研究进展较为有限。本研究的目的是研究一种燕麦基饮料的污染情况，并使用工业上常用的原位清洗（CIP）协议以及QCM-D技术，在65、75和85°C的温度下评估污染沉积物的去除效果。研究结果表明，随着温度和流速的增加，污染速率和污染沉积物的质量也随之增加。将燕麦基饮料的ΔDissipation/ΔFrequency（ΔD/ΔF）比值与100%脱脂牛奶（SM）以及脱脂牛奶与豌豆蛋白（SM:PP）混合饮料的ΔD/ΔF比值进行比较，以评估由于模型污染溶液中成分差异导致的沉积物粘弹性（例如硬度）的差异。对于SM和SM:PP混合物，随着豌豆蛋白比例的降低，ΔD/ΔF比值增加，表明牛奶蛋白增加了污染层的硬度。在使用碱性溶液（即NaOH）进行清洁时，SM:PP饮料中的污染沉积物去除行为与SM饮料中的类似；而燕麦饮料与NaOH的相互作用则不同，这表现为ΔD/ΔF比值的增加，表明其污染层较为柔软。这些发现强调了需要进一步研究NaOH作为清洁剂去除燕麦基饮料污染沉积物的适用性。总体而言，采用传统乳制品行业“一刀切”的CIP方法可能并不适合新的牛奶替代品市场。
引言
为了确保食品安全和质量（即延长保质期），饮料（如牛奶和果汁）需要经过热处理（Nott和Hall，1999）。在高温下进行热处理可能会导致蛋白质（通过变性）和矿物质（通过沉淀）的不稳定性，从而在传热表面（尤其是换热器上）形成沉积物（Fryer和Asteriadou，2009；Wallh?u?er等人，2012）。污染层的积累会增加热传递阻力，从而导致热输入和加热成本的增加（Bansal和Chen，2006）。为了恢复热传递效率，必须通过清洁来去除污染。清洁操作会浪费生产时间，并且还会大幅增加食品加工厂的水资源和能源消耗。一项针对四个国家（德国、英国、荷兰和法国）的研究表明，仅食品加工设备的清洁成本就占总运营成本的10-26%（Pant等人，2023）。因此，频繁的污染及其相关的清洁周期给食品和饮料行业带来了经济和环境负担。
由于素食主义趋势以及许多人群中乳糖不耐受现象的普遍性，牛奶替代品变得越来越重要（Deswal等人，2014；Granato等人，2010）。近年来，消费者对可持续、环保和无过敏原产品的需求呈指数级增长。仅在美国，零售销售额就从2017年的39亿美元增长到了2024年的81亿美元（“植物基零售市场概述 | GFI”，无日期）。因此，研究重点转向了开发具有功能性特性的健康食品，如起泡性、稳定性和过敏原控制（Sethi等人，2016；Vashisht等人，2024）。牛奶替代品的一个主要优点是它们可以解决牛奶过敏等问题以及其他健康问题（Reyes-Jurado等人，2023；Valencia-Flores等人，2013）。植物基产品的成分与动物奶有很大不同。M?kinen等人（2016）的报告指出，植物基饮料——特别是燕麦基配方——的蛋白质含量远低于牛奶。在牛奶加工过程中，蛋白质会吸附在换热器表面；然而，植物基饮料的低蛋白质含量表明，植物基饮料和牛奶基饮料在热处理过程中的污染机制和沉积物组成可能存在差异（Blanpain-Avet等人，2016）。
清洁操作用于去除污染层，以恢复必要的热传递速率，从而达到预期的微生物减少效果。定义良好的清洁操作参数（即时间、温度和流动条件）以及特定的清洁剂（包括浓度水平），如氢氧化钠（NaOH）和硝酸或磷酸，是食品工业中饮料加工设备清洁的常用方法。随着新的植物基饮料进入市场，比较植物基饮料与牛奶基饮料的污染清洁效果非常重要，因为这两种产品的成分存在显著差异。这有助于为特定工艺和产品定制清洁方案。
据作者所知，目前很少有研究评估标准乳制品原位清洗（CIP）协议在植物基饮料加工过程中的有效性。相反，以往的研究主要集中在工艺方面，例如植物基成分在受热时的行为及其污染特性。先前的研究探讨了添加盐分后球形豌豆蛋白的热变性、pH值和盐分对大豆蛋白变性的影响，以及杏仁奶中杏仁蛋白的热稳定性（Devnani等人，2020；Hermansson，1978；Mession等人，2013）。Qamar等人（2019）研究了在超高温（UHT）处理（>135°C，持续几秒）下豌豆蛋白乳液的污染情况，发现低浓度（0.5%和1%（w/v）的豌豆蛋白对整体热传递系数没有影响。只有少数研究探讨了燕麦蛋白的热变性（Ma和Harwalkar，1988；Ma和Harwalkar，1987），他们报告燕麦蛋白的变性温度约为112°C。只有一项研究探讨了温度和总固体含量对燕麦饮料粘度的影响，结果表明在40°C和低总固体含量下，燕麦饮料的粘度没有显著变化（Deswal等人，2014）。
在试点工厂规模上进行污染和清洁研究需要大量的样品、大量的劳动力，并且会产生较高的能源、水和化学成本（Hagsten等人，2013）。近年来，污染研究转向使用纳米和微观技术来更好地描述宏观尺度上观察到的污染机制。例如，原子力显微镜（AFM）、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和X射线光电子能谱（XPS）等技术已被用于研究牛奶污染（Akhtar等人，2010；Phinney等人，2017）。上述许多分析方法都是在热处理实验后对污染沉积物进行离体分析；因此，这些方法无法捕捉到表面沉积物相互作用的原位实时信息。相比之下，带有耗散功能的石英晶体微天平（QCM-D）是一种微观技术，通常配置在流动池中，可以提供分析物的实时吸附和脱附细节以及特定表面化学信息。
QCM-D的工作原理利用了石英的对称分子几何结构和压电效应来测量表面相互作用。当在特殊切割的石英晶体上施加电势时，晶体将以已知的基本频率共振（Sauerbrey，1959）。利用这一特性，开发了一种以石英晶体作为谐振器的微天平。QCM-D通过测量流体和分析物与石英晶体传感器表面相互作用时基本频率（Hz）的变化来检测污染。传统上，QCM-D传感器表面涂有金层，但传感器制造商现在提供多种涂层，如304和316不锈钢，这些涂层在食品加工环境中更为适用（Chandrasekaran等人，2013；“Sensors | QSense”，无日期）。该技术可以检测质量沉积，检测限约为1 ng/cm2，从而了解初始表面沉积物和沉积物之间的相互作用（Huellemeier等人，2022a）。它还可以同时测量施加电势后振荡的衰减情况，以“耗散”因子（无单位）或带宽来描述通过沉积层的能量损失（Chandrasekaran等人，2013；Reviakine等人，2011）。QCM-D方法的灵敏度和原位特性使其成为评估与饮料热处理相关的污染（即吸附驱动）和清洁（即脱附驱动）现象的强大工具。在污染研究方面，QCM-D已被应用于研究聚合物、造纸工业中的纸浆以及生物精炼应用（B?ttcher等人，2022；Hoffmann等人，2025；Rudolph等人，2021；Xiao等人，2025）。它也被用于研究牛奶及其成分的污染和清洁（Avila-Sierra等人，2021；Huellemeier等人，2022b；Huellemeier等人，2022a；Kamath等人，2024），但关于非乳制品饮料的污染研究较少。
本研究的目的是评估QCM-D在评估商业燕麦基饮料污染和清洁行为方面的潜力。在本研究中，使用QCM-D在三种不同的流速（80、100和200 μL/min）和三种不同的温度（65、75和85°C）下评估了燕麦基饮料的污染和清洁效果。这些结果与在单一流速（200 μL/min）和三种温度下牛奶-豌豆蛋白混合物及脱脂牛奶的污染和清洁效果进行了比较。假设燕麦基饮料的污染沉积物在接触NaOH时表现出不同的反应（例如膨胀和溶解），从而导致清洁效率因温度和流动条件而异。本研究的目标是：（1）表征不同热和流动条件下燕麦基饮料的污染和清洁相互作用；（2）确定NaOH清洁对沉积物去除的影响；（3）通过与Kamath等人（2024）的结果比较，评估植物基饮料与含乳蛋白饮料之间的污染和清洁效果。这些发现旨在为优化植物基饮料加工中的清洁策略提供见解和下一步方向。
部分摘录
模型污染液制备
本研究使用了四种不同的模型污染液：一种燕麦基饮料、两种脱脂牛奶/豌豆蛋白（SM:PP）混合物（50:50和75:25比例）以及100%脱脂牛奶（SM）。脱脂牛奶和牛奶-豌豆蛋白混合物的制备方法参照Kamath等人（2024），蛋白质含量为3%（w/w）。所有模型污染液均在4°C下储存过夜，并在实验前进行脱气。以下部分描述了生成模型燕麦饮料所需的样品制备步骤。
结果与讨论
结果与讨论部分首先描述了燕麦模型饮料污染和清洁循环的原始QCM-D输出数据（第3.1节）。然后将燕麦模型饮料的污染情况根据流速（80-200 μL/min）和温度（65-85°C）进行描述，并与其他模型污染液（SM:PP 50:50、SM:PP 75:25和100%脱脂牛奶，流速为200 μL/min）进行比较（第3.2节）。最后，评估了清洁后的燕麦基饮料的效果。
结论
在本研究中，使用了一种燕麦基饮料配方在316 L不锈钢QCM-D传感器上生成了污染层。污染形成后，通过三步清洁协议进行去除，模拟了包括水冲洗和0.1 M NaOH的处理过程。在燕麦饮料的污染过程中，流速增加导致的传热速率提高对85°C下的吸附质量有显著影响。这一现象在65°C时没有观察到，且在较低温度下也不明显。
未引用的参考文献
(Ishiyama等人，2024，植物基零售市场概述，无日期；Sensors | QSense，无日期)
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究献给食品工程领域的奠基人之一Dennis R. Heldman教授（1938-2025）。代表在他指导下受指导的无数学生，我们感谢他通过他对教学、学习和研究的热情激励了我们许多人。鉴于他对该领域的重大贡献，食品工程学科将永远感激他。
本研究得到了先进加工与包装研究中心的资助。
