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牛奶灭菌那些事儿

牛奶大概是最不让中国人民省心的食物了。最近的生奶新国标再一次引起了广泛关注。对于牛奶的各种讨论介绍已经很多,这里来集中介绍一下牛奶的灭菌。牛奶细菌如何被杀灭?巴氏奶与常温奶差别何在?为什么不再有“致病菌不得检出”的规定?灭菌与安全,又是什么样的关系?

细菌啊,让温度与时间来杀死你们


我们都知道许多细菌能够导致人们生病。健康奶牛新产的奶中细菌非常少,但是细菌在自然环境中无处不在。对于细菌来说,牛奶可以算得上生长的乐园。在7摄氏度以上,很多细菌就可以“星火燎原”。

现代社会的牛奶不可能现挤现吃。从挤奶到分销到消费者手中,总是需要一段时间。在这段时间中,细菌有无数的机会进入牛奶,蓬勃发展起来。虽然有一些人追逐“未经热处理的生奶”,不过细菌污染的危险实在太大。世界各国的学术界和食品管理机构,都不赞同喝这样的生奶。

灭菌,成了现代牛奶产销中不可缺少的一个环节。

稍微有一点生活常识,就不难理解:温度和时间,是决定细菌能否被杀死的两个关键因素。细菌不是一个物种,而是无数的物种的统称。一般而言,每一种细菌有最适合它生长的条件。在该条件下,那种细菌可以很容易地大量生长。在某些“不利条件”下,比如低温,细菌只是停止了活动,但是并没有被杀死。只要等到条件适合,它们就又活跃起来。而有的“不利条件”下,比如高温,它们就可能被杀死,而无法起死回生了。不过,细菌的生长习性各不不同,对于这种细菌是难耐的酷热,对于另一种细菌可能只是洗了个桑拿而已。

在任何一个“不利”的温度下,一定时间内死亡的细菌数跟它们的总数成一个确定的比例。比如说,在63摄氏度,有100万个某种细菌。过了6分钟,还剩下10万个。在食品科学上,就把这个6分钟称为这种细菌在63摄氏度的D值,意思是“在63摄氏度下,杀死90%的该细菌所需的时间是6分钟”。再过6分钟,剩下的10万个细菌依然不能完全死去,还会剩下10%(即1万个)。如此下去,再过6分钟,还会剩下1000个;又过6分钟,还剩100个……

实际上,牛奶中不止一种细菌。不过有的细菌没有什么危害,有的细菌能让人生病(被称为“致病细菌”)。理论上说,需要挑选最顽强的致病细菌来作为指标。当最不容易杀灭的那种致病细菌减少到不足以兴风作浪,其他的细菌也就不足为虑了。不过在传统上,是采用总的细菌数来计算。前面举例所说的数据,就是传统的巴斯德灭菌所采用的数字。在63度下,牛奶细菌的D值为6分钟。经过30分钟,奶中的细菌数降低到初始值的10万分之一。合格的生奶(美国标准是灭菌前细菌数不超过每毫升30万)经过这样的杀菌,细菌数降到很低。在恰当的冷藏条件下,这样得到的“巴氏消毒奶”可以存放两三周,而细菌总数也不至于重新长到有害的程度(比如美国要求每毫升不超过2万个)。

63度加热30分钟的方式对于家庭下作坊生产还比较方便,对于大规模的工业化生产就不是那么方便了。工业上,希望加热时间短,因而可以连续地让牛奶流过加热区,实现流水线操作。

细菌的生存对于温度非常敏感。温度上升,它们就更加容易被杀死。体现在数字上,就是前面所说的D值随温度升高急剧降低。牛奶的D值在63摄氏度是6分钟,到了72摄氏度,就变成了3秒。也就是说,同样把细菌数降低到初始值的10万分之一,只需要15秒就够了。这样的灭菌条件叫做“高温快速巴斯德灭菌”,简称HTST过程。在HTST流程中,牛奶连续通过加热器,控制流速使之在72摄氏度的管道中呆够15秒,再进入冷却区迅速降温。然后进行包装,冷藏。

D值降低到10分之一所需要增加的温度被定义为Z值。牛奶中的各种细菌的Z值一般在5到10摄氏度之间,有的甚至在5度以下。

除了细菌之外,牛奶中还有两类人们关注的物质:酶和维生素。这两类物质具有“生物活性”,在加热的条件下也会失去活性。它们失去活性的行为也跟杀灭细菌类似,也有D值和Z值。一般来说,酶的Z值在30到40摄氏度之间,而维生素的Z值在20到25摄氏度之间。也就是说,温度升高,对细菌的影响远远比维生素和酶要大。举例来说,假如细菌和维生素的Z值分别是5和20摄氏度。如果把温度提高20摄氏度,那么细菌的D值将降低到原来的万分之一(对于细菌而言,温度升高了4个Z值);而维生素的D值只降低到了原来的10分之一(对维生素而言,温度升高了1个Z值)。这样,在高的温度下,只需要加热原来时间的万分之一就可以获得相同的灭菌效果。对于维生素,虽然D值是原来的10分之一,但是加热时间只是原来的万分之一。因此,通过高温来实现同样的灭菌效果,对维生素的破坏远远比低温灭菌要少。这就是HTST的优势。

“致病菌不得检出”,规定容易执行难


理论上说,衡量灭菌效果的好坏,需要对灭菌后的牛奶进行细菌数检测来确定。但是实际操作中,检测细菌数费时费力,并不是那么方便。

在牛奶中,有一种酶可以把生物大分子上的磷酸根去掉,叫做“碱性磷酸酶”。它的失活行为比较特别,跟细菌差不多。实际的牛奶检测中,往往是把它的活性当作“信号”来指示灭菌的好坏。如果灭菌不好,它的活性就会比较高;如果它的活性低于了某个设定值,就可以认为灭菌比较完全了。

在中国的生奶旧标准中,有一条“致病菌不得检出”。在新标准中,这一条被删除了。有人认为,虽然新标准中规定的总细菌允许值增加了,但是如果能保证“致病菌不得检出”,那么生奶中的细菌就不是致病细菌,也就不会产生毒素。经过灭菌,也就不会有害健康了。

这在理论上当然可行,不过几乎没有可操作性。牛奶中的致病菌种类不少,“致病菌不得检出”作为规定写入国家标准,只需要增加七个字。但是,它的执行难度就不是纸上谈兵那么容易了。总细菌数的检测尚嫌复杂,要一一检测每种致病细菌,操作成本会大大增加。尤其是对于那些散户经营的牛奶,再增加几种致病细菌的检测,增加的检测成本将由谁来承担?

实际上,即使是美国那套远比中国严格的生奶标准,也没有“致病细菌不得检出”的要求。对于细菌,他们要求检测总细菌数和大肠菌数。大肠菌数是一大类细菌,并非某种特定的致病细菌。他们认为,把细菌总数和大肠菌总数控制到一个较低水平,就意味着牛奶生产的各个环节都有很好的卫生监控,其安全性就可以得到保障了。

不清楚生奶旧标准中的“致病菌不得检出”是如何执行的。不过,如果生奶新标准中保留了这一要求,大概也可以算是极具“中国特色”了——有着比其他国家都宽松的总细菌数标准,却也有着其他国家都没有做到的“致病细菌检测”。

巴氏奶与常温奶,差别有多大


媒体把生奶新标准的制定当作巴氏奶与常温奶的斗争。常温奶和巴氏奶的倡导者也的确一直互相指责甚至攻击。“常温奶派”宣称更符合中国国情,而“巴氏奶派”则强调常温奶的超高温灭菌破坏了牛奶的营养。毋庸讳言,巴氏奶和常温奶,在风味、安全性和营养上存在差异。关键是,这种差异有多大?对于消费者,这些差异又意味着什么?

巴氏灭菌的目标是把细菌数降低到十万分之一,用专业术语来说是5个“log reduction”。在某一温度下,加热时间是该温度下细菌D值的5倍。经过巴氏消毒,牛奶中的细菌并没有被全部杀灭。在灭菌之后依然需要冷藏。即使在冷藏条件下,残存的细菌也还是会缓慢生长。所谓巴氏奶的保质期,其实是这些细菌长到某个量之前的时间。国外的巴氏奶灭菌以及后续的处理保存要求严格,这一个“变质期”可以长达3周,一般把保质期定位两周。而国内目前的巴氏奶,因为种种原因,保质期一般只有几天。灭菌之后需要冷藏,保质期也只有几天,对于产销链的要求的确要高许多。在中国目前的社会条件下,基本上只能依靠当地产当地销。而异地企业,基本上也就无法涉足。

在巴氏灭菌条件下,尤其是高温快速的巴氏灭菌条件下,对于牛奶的风味和维生素的影响比较小。牛奶中还有一些酶,在加热中这些酶通常会失去活性。有人认为酶失去活性导致了牛奶的营养价值降低。实际上,到目前,并没有可靠的依据表明牛奶中的这些酶对人体有“生物活性”。它们是否失活,并不改变牛奶的营养价值。另一方面,这些酶中的一些种类会分解牛奶中的脂肪或者蛋白质,导致牛奶的“变质”。通过加热使之失活,对于保持牛奶的品质是有利的。

常温奶是在超高温(通常高于135摄氏度)下保持一两秒钟,简称为UHT,其灭菌目标是12个“log reduction”。也就是说,其加热时间至少是该温度下D值的12倍。经过UHT,基本上不可能还有细菌存活。在密封条件下,经过这样处理的牛奶不用冷藏,也可以保持几个月甚至更长。如果生奶中具有大量的致病细菌,它们分泌的某些毒素不能被巴氏奶破坏。因为毒素往往是蛋白质,经过UHT处理,其破坏程度会大一些。从细菌和毒素的角度来说,常温奶的安全性确实要高一点。因为不需要冷藏而且保质期长,异地产销就成为了可能,使得厂家更容易实现市场扩张。

显然,UHT是更“严苛”的加热条件,它对维生素的破坏也会更多。如果是要比较营养“谁高谁低”,自然是巴氏奶稍胜一筹。不过,牛奶只是饮食中维生素来源之一,人们喝牛奶主要是为了获取其中的蛋白质和钙,而蛋白质和钙不会因为UHT 损失,也可以说常温奶相对于巴氏奶的营养损失并不大。

总菌数高的生奶不适合做巴氏奶,原因并不是许多人认为的“无法达到巴氏奶的灭菌要求”或者“增加巴氏灭菌成本”。实际上,总菌数从每毫升50万增加到200万,只增加了0.6个“log reduction”需求。相对于巴氏灭菌要求的5个“log reduction”,如果采用标准的HTST温度,只需要把灭菌时间从15秒增加到17秒左右就够了。如果通过提高温度,则提高不到1摄氏度就可以保持15秒的标准时间。不管哪种方式,对于灭菌成本的增加都微不足道。

二者的最大差异其实在于外观和风味。巴氏灭菌奶基本上保持了灭菌前的乳白和奶味,而UHT则会使奶色变暗,相对而言不再“秀色可餐”。超高温产生一定的“焦糊味”,则会掩盖奶本来的风味。当总菌数达到每毫升200万,意味着生奶从挤奶到灭菌前的过程中卫生条件控制很差,吸收的异味和细菌产生的异味,已经大大改变了牛奶的风味。而这些异味,巴氏灭菌并不能去除。这样得到的巴氏奶,消费者光是从味道上就能觉察出“不对”来。如果那200万细菌中有分泌毒素的致病细菌,巴氏消毒也只能杀死细菌而可能无法去除毒素。这种情况下,问题也就更加严重了。而经过超高温处理之后,产生的“焦糊味”足以掩盖奶本身的异味,消费者也就无从觉察出“异常”来。

微滤除菌新技术


虽然有诸多不足,在当前的食品工业中,加热依然是灭菌最经济最有效的方法。不过,一些新兴的技术逐渐得到应用,可以在不同的方面克服加热的不足。在奶制品行业,微滤技术是应用比较多的一种。

作为微滤,就是使用一层滤孔在微米量级的滤膜来对原料进行过滤。一般的微滤膜孔径在0.6到2微米之间(1微米等于千分之一毫米)。选择适当的滤膜,可以把细菌留下,而让乳糖、维生素、矿物质以及蛋白质通过。因为它只是按照个头大小进行筛选,也就不会破坏维生素、酶以及牛奶的风味。

不过,牛奶中的脂肪颗粒跟细菌大小相当,留下细菌的同时这些脂肪颗粒也无法通过。所以,微滤技术往往用来处理脱脂奶。因为脱去了脂肪,剩下的蛋白质以及其他成分可以通过。如果要生产全脂奶或者低脂奶,就需要把脱下的脂肪另外进行加热灭菌,再加到经过微滤的脱脂奶中。这当然也需要一些操作成本。

即使不考虑成本,微滤技术也还是有一定缺陷。它只是留下细菌,而对牛奶中的酶无能为力。前面提到过,许多酶会分解脂肪或者蛋白质,也导致牛奶的“变质”。所以,单独使用微滤来处理牛奶,也不容易使之实现需要的“保质期”。此外,任何一种规格的微滤膜,所说的“截留分子量”或者“孔径尺寸”,都是一个典型值,而不异味着膜中所有的孔径都是那个尺寸。也就是说,实际尺寸是围绕着那个典型值的各种大小不同的尺寸。牛奶中的酪蛋白,多数是聚集成“酪蛋白颗粒”的形式存在,其尺寸在零点几个微米的样子。也就是说,如果选的滤膜孔径过大,则有可能放过一些细菌;过小,则有可能留下一部分酪蛋白。如何制造和选择合适的微滤膜,也是工程师们努力的方向。

相对于加热灭菌,微滤也有它独到的优势。加热可以很有效地杀灭细菌,但是对于细菌或者植物的孢子就无能为力。孢子可以看作一种处于休眠状态的细菌或者植物“种子”。在巴氏灭菌这样不算严酷的考验下,它们能够忍耐过去,耐心等待春天的到来。而微滤则可以把它们一并去除。有实验显示,经过微滤处理的脱脂奶,再进行巴氏灭菌,可以把“变质期”从三周延长到40天左右。在目前,奶制品行业更多得是把它作为一个辅助步骤,与加热工艺配合使用。

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