综述：改变处理方式：农场脉冲电场干预（OFPI）在主动降低生物负荷和改善原奶功能方面的应用

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Shifting the processing boundary: On-Farm Pulsed Electric Field Intervention (OFPI) for proactive bioburden reduction and functionalization of raw milk

　　严冰|王朗宏|蔡金林|张晓军|王彩云|李健|王瑞|曾新安|何健
华南理工大学食品科学与工程学院，广州510641，中国

**摘要**
**背景**
乳制品行业长期以来一直面临着一个技术悖论：传统的热处理方法虽然能够确保微生物的安全性，但不可避免地会导致热敏性生物活性成分的不可逆变性，将原本动态的生物流体转化为单调的商品。随着消费者对低加工食品需求的激增，该行业迫切需要创新的加工技术。这些新技术必须能够有效分离微生物灭活与生物活性成分的热降解过程，既保留牛奶的营养价值，又确保其安全性。

**范围与方法**
本文重点评估了脉冲电场（PEF）技术作为先进的热电协同解决方案在牛奶加工中的可行性。系统分析了连续流式PEF的工程原理、设备基础和电化学风险，全面考察了主要由电穿孔效应驱动的杀菌效果，并探讨了PEF对牛奶中生物活性成分的精确保护和功能调节作用。此外，本文创新性地提出了“农场现场PEF干预”（OFPI）工程模型，并系统分析了其实施过程中遇到的工程挑战，以重新配置供应链的空间布局。

**主要发现与结论**
PEF在温和的温度下实现了有效的杀菌效果，同时最大限度地保留了牛奶中的生物活性成分并实现了对其的精确调控。关键在于，OFPI模型可以主动降低初始微生物负荷，减少冷链运输过程中嗜冷细菌的风险，从根本上解决了耐热酶的分泌问题，并减轻了终端加工厂的热处理负担。这种从被动保存向精准矩阵工程的转变，使PEF成为下一代工业级加工标准的有希望的候选技术。

**引言**
牛奶因其富含生物活性物质（包括全部九种必需氨基酸）、高浓度的生物可利用钙以及适合所有年龄段的优质蛋白质，长期以来一直被视为人类营养的基石（Filipa等人，2023年）。因此，乳制品行业已成为全球食品系统的重要组成部分。报告显示，2024年全球牛奶产量达到了9.81亿吨，并持续呈上升趋势（Patel等人，2026年）。此外，随着社会经济的发展，消费者对乳制品的消费观念也在发生深刻变化。特别是在发达国家，消费者不再仅仅将牛奶视为一种普通商品，而是越来越追求具有更高天然性、更好口感和更高生物活性蛋白保留率的优质产品（Huang等人，2025年）。然而，生牛奶历史上一直具有较高的初始微生物负荷，其丰富的营养成分为微生物提供了天然的生长介质。因此，食品行业长期以来一直采用以安全为先的加工方法，通过高温处理来确保微生物安全并延长保质期。
毫无疑问，传统的热处理方法在有效消除致病菌和腐败菌、保护公众健康方面发挥了重要作用（图2）。然而，确保微生物安全所需的热处理过程不可避免地会损害牛奶中脆弱的天然生物活性成分。实际上，牛奶不仅仅是一种简单的脂肪和蛋白质胶体悬浮液，而是一种富含热敏性生物活性成分的动态生物流体，包括乳清蛋白、免疫球蛋白、乳铁蛋白以及结构复杂的乳脂球等（Hu等人，2025年）。大量研究表明，热处理，特别是用于商业杀菌的高强度超高温（UHT）处理，会导致乳清蛋白的不可逆变性和聚集、免疫功能成分及风味化合物的降解、美拉德反应的启动以及β-乳球蛋白中巯基团的释放，从而产生“煮熟味”或“硫化合物”等不良风味（Duan等人，2025年；Chen等人，2026年），将营养丰富且美味的牛奶变成了味道平淡的产品（图2）。这形成了一个固有的技术悖论：旨在确保微生物安全的方法恰恰破坏了现代消费者所追求的优质品质。
随着市场需求逐渐转向功能性营养食品领域，绝大多数消费者认为低加工食品比传统加工食品更健康。因此，食品行业迫切需要探索能够将微生物灭活与生物活性成分的热降解过程分离的替代加工方法。近年来，高压处理（HPP）（Yang等人，2025年）、短波紫外线辐射（UV）（Mariana等人，2020年）、冷等离子体（Kim等人，2015年）和脉冲电场（PEF）（Wang等人，2026年）等新型加工技术成为解决食品热处理悖论的有希望的解决方案。在这些创新技术中，PEF技术已成为工业规模液态乳制品加工领域的领头羊。虽然HPP和冷等离子体受到批次处理模式和高经济成本的限制，而UV-C的杀菌效果也因牛奶的高浊度和光学不透明度而大打折扣（Abed等人，2025年）。相比之下，PEF的连续流动、可泵送的流体系统设计使其能够无缝集成到现有的乳制品基础设施和现场清洗流程中。尽管PEF最初被严格定义为“非热处理”技术，但现代认识已将其视为“热电协同技术”（Liu等人，2020年）。鉴于牛奶的高电导率，电场的应用不可避免地会产生欧姆热。因此，当前的PEF杀菌研究人员不再追求最小化这种热效应以维持“非热处理”地位，而是战略性地利用这种快速、内部的温和加热来实现与热巴氏杀菌相当的微生物灭活效果，同时显著降低总热负荷（Cho等人，2026年）。这种技术途径在最大限度地保留牛奶的物理化学性质和生物活性成分的同时，提供了接近巴氏杀菌的安全保障（Cappato等人，2017年）。凭借这些独特优势，PEF在过去的十年中在各个食品领域的应用持续稳定增长（图1a）。值得注意的是，在液态食品杀菌领域，研究逐渐扩展到乳制品及其替代品等复杂基质（图1b）。这种渐进的技术成熟为将PEF整合到现代乳制品加工中奠定了坚实的基础。尽管研究兴趣持续高涨，但工业转化仍受到工程瓶颈的制约。因此，本文旨在提供全面的批判性分析，重点关注PEF在牛奶中灭活微生物的效率及其众多影响因素。更重要的是，我们提出了创新的“农场现场PEF干预”模型，以推动向分散式、农场前端干预的转变。我们认为，将加工环节前移至农场层面可以有效解决传统集中式热杀菌过程中“细菌死亡但酶活性保留”的悖论，同时减轻冷链系统的物流脆弱性。此外，本文还阐明了PEF在保障乳制品质量方面的研究现状及其通过电场应用增强牛奶蛋白功能的潜力，并提出了针对电极腐蚀、PEF操作过程中的电化学反应、法规合规性及消费者接受度等挑战的解决方案，旨在探索如何将PEF技术整合到现有的乳制品加工行业中，推动其从试点规模实验发展成为下一代优质乳制品的主流工业标准。

**部分摘录**
**PEF在牛奶杀菌中的应用原理**
PEF技术通过在处理室内的两个电极之间在毫秒或微秒时间范围内向食品传递高功率电脉冲，从而在相对较低的温度下实现食品加工（Cai等人，2025年）。在电极间隙中，食品会受到单位电荷作用力的影响，即所谓的电场。通常，食品是由多种成分组成的多组分/多相系统，能够形成偶极矩或表现出净电荷。

**牛奶中微生物的来源与进化谱系**
在自然条件下，生牛奶中高浓度的营养成分促进了高度复杂的微生物生态系统。牛奶中的微生物群落并非静态参数，而是受季节因素、农场卫生条件和冷链持续时间显著影响的动态生态系统（Wang等人，2025年）。通常，牛奶中的微生物主要分为三类：乳酸菌、致病菌和腐败菌（Lu等人，2025年）。

**PEF对牛奶中主要营养成分的保存与功能增强**
作为一种天然复杂的生物流体，牛奶的卓越营养价值主要归功于其所含的多种生物活性成分。这些成分在调节人体生理功能方面发挥着不可替代的作用（图5）。例如，免疫球蛋白能够特异性识别并中和外源性致病微生物和毒素，通过凝集和吞噬作用提供重要的被动免疫保护，特别是对婴儿和幼儿而言。

**农场现场PEF干预：重塑原始牛奶供应链的新范式**
如前所述，PEF技术在加工终点不仅表现出卓越的微生物灭活能力，还能保留营养成分并增强其功能。理论上，它有效解决了传统乳制品热处理中难以平衡的安全性和质量之间的核心矛盾。然而，正是这些优势使得PEF不适合作为高通量终端巴氏杀菌的直接替代品。

**通过集成生物传感器和人工智能实现智能自主控制**
OFPI模型的提出为重塑原始牛奶供应链的微生物安全性提供了革命性的视角。然而，由于奶农和农场经营者通常缺乏先进的加工和工程背景，因此在农场层面部署的PEF设备必须配备实时传感器和人工智能（AI）驱动的反馈回路，以便根据牛奶的流速自动调整脉冲参数。

**设备实施中的工程挑战**
尽管OFPI模型在理论层面显示出重塑新鲜牛奶供应链的巨大潜力，但从概念转化为大规模工程实施需要克服系统集成和设备制造方面的实际障碍。鉴于该模型主要针对大型乳制品企业的专用牧场，其实施场景受益于现有的基础设施和电力供应保障。

**结论**
传统的热杀菌方法虽然确保了乳制品的微生物安全性，但不可避免地会破坏热敏性生物活性物质并恶化风味。作为一种极具前景的创新加工技术，连续流式PEF凭借其“电穿孔”机制和温和的“热电协同”效应，有望打破这一技术悖论。它不仅能够在相对较低的温度下实现显著的微生物灭活，还能……

**未引用的参考文献**
Abdollahnejad, 2025; Cho and Kang, 2026; De Luis et al., 2009; Dogan and Boor, 2003; Guerrero-Beltrán et al., 2010; Ma et al., 2024; Rivera and Jaeger, 2025; Sobrino-López and Martín-Belloso, 2008; Sastry, 2023; Sobrino-López et al., 2006; Sharma et al., 2014; Wang et al., 2025; Wang et al., 2025; Wang et al., 2026.

**作者署名声明**
严冰：概念化、研究、可视化、初稿撰写；
王朗宏：概念化、研究、可视化、初稿撰写；
蔡金林：研究、验证、审稿与编辑；
张晓军：研究、验证；
王彩云：研究、验证；
李健：验证、审稿与编辑；
王瑞：验证、审稿与编辑；
曾新安：概念化、项目管理、监督。

**致谢**
本研究得到了国家乳制品技术创新中心（编号2025-JSGG-009）的支持。此外，作者感谢BioGDP（https://biogdp.com/）和Servier Medical Art（https://smart.servier.com，采用知识共享署名4.0未本地化许可协议）提供了部分图表元素的设计和制作支持。