一种基于交变磁场的低温高品质牛乳杀菌方法

技术领域

本发明涉及一种基于交变磁场的低温高品质牛乳杀菌方法，属于食品保鲜与贮藏技术领域。

背景技术

牛奶被誉为“白色血液”，富含蛋白质、脂肪、矿物质、维生素、以及多种免疫活性因子，在人民膳食结构中有着食品无法代替的地位和作用。特别其营养成分接近人乳，所以它代替母乳成为许多婴幼儿的主要食品。牛乳中富含多种生物活性成份以及人体所需的各种氨基酸等。又由于其乳蛋白的氨基酸组成与人体需要颇为接近，因此被誉为“理想蛋白质”。但同时牛奶因富含各种微生物繁殖的营养成分而极易变质，因此需要有效的杀菌方式来延长保藏时间。

现阶段的杀菌方式多为热杀菌，比如巴氏杀菌和超高压瞬时杀菌。超高压瞬时杀菌具有保质期长、杀菌彻底、运输方便等优点，但对牛奶的营养破坏性大。巴氏杀菌奶虽然营养保存率高，但是保质期短，运输受冷链限制。

在消费升级的趋势下，消费者也越来越重视食品新鲜度和品质，致使新鲜牛奶的概念在消费者心中落地生根。随着生鲜电商的等物流体系的崛起和常温奶业务的增长触顶，众多乳业开始攻占巴氏杀菌奶市场。突如其来的疫情促使全民健康意识的觉醒将进一步激发鲜奶消费的潜力。《2020-2026年中国鲜奶行业市场研究分析及投资策略探讨报告》数据显示：2015-2019年鲜奶销售额同比增长分别为6.13％、8.22％、9.71％、10.67％、11.56％，连续5年持续增长并迈入双位数增长阶段。预计鲜奶是拉动液态奶整体市场增长的主要力量，也将是乳企业盈利的重点支撑品类之一。此外，X猫商城提供的数据显示，2020年低位奶的销量同比增长了150％。

鲜奶的低保质期始终是困扰乳业的重大难题，如何在保留更多营养物质的前提下提高鲜奶的保质期是研究者们一直需要攻破的重大课题。新兴的冷杀菌技术如高压脉冲电场，超声波，超高静压等虽然在保持食品的品质和营养成分上可能会存在一定优越性，但它们自身带来的弊端会更大的局限造成了应用的拓展。比如高压脉冲电场是接触式的电场加工，其金属极板会对牛乳产生各种未知的电化学反应和电极污染，食用的安全性未知；超声波宏观上不会影响牛乳的品质，但是处理量小、处理时间长、金属探头残渣污染和杀菌不彻底；超高压设备昂贵，操作繁琐且只能进行间歇式的小批量处理，对牛奶蛋白的变性严重。

此外，目前以蒸汽为热源的液态食品杀菌技术面临巨大挑战，传统牛奶加工厂热杀菌技术由蒸汽加热管道中的连续流的奶制品，属于间歇式热处理，其生产过程中导致的污水、冷却水及清洁用水总量约占牛乳加工量3倍，还有锅炉房等配套设施带来的环境污染问题。因此，亟需开发一种新的高效非接触式电场杀菌技术用于清洁、绿色、低温、保质期长的牛奶等乳制品的杀菌新技术处理，以便解决上述问题。

发明内容

为了在极大的保留牛奶中有益活性物质的前提下解决低温奶保质期短的问题，本发明提供了一种基于交变磁场的低温高品质牛乳杀菌方法，有效地延长低温奶的保质期，同时牛奶中的有益活性物质(乳铁蛋白、免疫球蛋白和乳过氧化物酶等)得到了更多的保留，而且与其他新兴的冷杀菌技术如高压脉冲电场，超声波，超高静压等技术相比，本申请方法具有绿色无污染、更适于工业化生产的特点。

一种基于交变磁场的低温高品质牛乳杀菌方法，所述方法采用一种基于交变磁场的低温高品质牛乳杀菌装置实现在不高于65℃的条件下对牛乳进行杀菌处理；所述基于交变磁场的低温高品质牛乳杀菌装置包括进样瓶、接样瓶、蠕动泵和低温高品质牛乳杀菌设备；

所述低温高品质牛乳杀菌设备包括：磁芯、励磁线圈、磁耦合管、储料室、处理室和励磁电源；其中磁芯采用包含50wt％铁和50wt％镍的铁镍磁粉心铁芯；

对牛乳进行杀菌处理过程中，励磁电源对励磁线圈施加的励磁电压U为1000-1500V，波形为：双峰脉冲，频率f为50-90kHz；牛乳在蠕动泵的驱动下，以不超过0.5L/min的流速流经处理室以完成杀菌处理。

可选的，所述低温高品质牛乳杀菌设备中处理室长度为10-20cm，牛乳在处理室中通过时间不超过1min以确保牛乳始终处于不高于65℃的条件下。

可选的，所述低温高品质牛乳杀菌设备中，励磁线圈缠绕于磁芯的上侧，并与励磁电源连接；磁耦合管缠绕于磁芯的左右两侧；

所述储料室包括进料储料室和出料储料室，分别设置于磁芯的前后位置；进料储料室和出料储料室之间通过处理室联通，处理室位于磁芯的中央部位，并横穿磁芯中央空隙处，处理室两端还分别通过一个三通连接头与缠绕于磁芯的左右两侧的磁耦合管连通，磁耦合管内充满氯化钠浓度范围为2％-10％的食品级琼脂溶液来充当盐桥，琼脂溶液中琼脂浓度范围为0.5％-2.5％。

可选的，所述低温高品质牛乳杀菌设备中，处理室与磁耦合管截面积之比范围为1:60-1:1。

可选的，处理室内磁感应电流密度1.5-2.8A/cm

可选的，所述低温高品质牛乳杀菌设备中，磁芯上方的励磁线圈匝数为1-3匝，磁芯两侧的磁耦合管匝数之和为25-45匝。

可选的，所述低温高品质牛乳杀菌设备中，磁芯的有效磁路长度l为20-100cm，横截面积A为8-25cm

可选的，所述低温高品质牛乳杀菌设备中，处理室和磁耦合管具有电绝缘性，采用聚四氟乙烯、特氟龙、石英、水晶、玻璃或搪瓷材料制备。

可选的，所述低温高品质牛乳杀菌设备中，进样瓶与进料储料室相连，接样瓶与出料储料室相连。

本发明有益效果是：通过提供一种基于交变磁场的低温高品质牛乳杀菌方法，与传统的巴氏杀菌(一般杀菌温度为75℃和80℃)相比，该方法能够在更低地温度下(不超过65℃)对生牛乳中的微生物进行有效的杀灭，牛奶的保质期得到了极大的延长，可以有效的解决巴氏奶保质期短、运输受冷链限制的这个关键性难题。同时，与传统的巴氏杀菌相比，该方法由于杀菌温度至少降低了10℃，因此可以更好的保留牛奶有益活性物质(乳铁蛋白、免疫球蛋白和乳过氧化物酶)，满足消费者对高品质奶的需求，而且，本申请方法与其他新兴的冷杀菌技术如高压脉冲电场，超声波，超高静压等技术相比，还具有绿色无污染、更适于工业化生产的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例提供的基于一种基于交变磁场的低温高品质牛乳杀菌设备的正视图；

图2是本发明一个实施例提供的基于一种交变磁场的低温高品质牛乳杀菌装置整体构成示意图；

图3是本发明一个实施例提供的基于一种交变磁场的低温高品质牛乳杀菌设备的侧视图；

图4是本发明一个实施例提供的基于一种交变磁场的低温高品质牛乳杀菌设备的俯视图；

图5是本发明一个实施例提供的基于一种交变磁场的低温高品质牛乳杀菌设备的磁芯尺寸示意图。

图6是本发明一个实施例提供的基于交变磁场的低温高品质牛乳杀菌装置的实物图；

其中，进样瓶101，蠕动泵102，励磁电源103，接样瓶104；催陈处理设备包括：O型磁芯201，励磁线圈202，磁耦合管203，储料室204，处理室205，出液管206，三通连接头207，底座208；催陈处理设备包括两个储料室204，其中一个储料室204与液体流入口209相连接，另一个储料室204与液体流出口210相连接；

图1-图4，箭头为物料流向。

具体实施方式

实施例一：

本实施例提供一种基于交变磁场的低温高品质牛乳杀菌设备，请参考图1，所述低温高品质牛乳杀菌设备包括：磁芯201、励磁线圈202、磁耦合管203、储料室204和处理室205和励磁电源；其中磁芯采用包含50wt％铁和50wt％镍的铁镍磁粉心铁芯。

所述励磁线圈202缠绕于磁芯201的上侧，并与励磁电源连接；磁耦合管203缠绕于磁芯201的左右两侧；

所述储料室204包括进料储料室和出料储料室，分别设置于磁芯201的前后位置；进料储料室和出料储料室之间通过处理室205联通，处理室位于磁芯的中央部位，并横穿磁芯中央空隙处，处理室205两端还分别通过一个三通连接头207与缠绕于磁芯201的左右两侧的磁耦合管203连通，磁耦合管内充满氯化钠浓度范围为2％-10％的食品级琼脂溶液来充当盐桥，琼脂溶液中琼脂浓度范围为0.5％-2.5％；

对牛乳进行杀菌处理过程中，励磁电源对励磁线圈202施加的励磁电压U为1000-1500V，波形为：双峰脉冲，频率f为50-90kHz；牛乳以不超过0.5L/min的流速从进料储料室流入处理室，处理室长度为10-20cm，牛乳在处理室经过交变磁场处理后流入出料储料室完成杀菌处理，处理过程中，牛乳在处理室中通过时间不超过1min以确保牛乳始终处于不高于65℃的条件下。

本申请考虑不同磁芯由于其初始磁导率、饱和磁感应强度和损耗不同，会致使励磁时在由电导性液体组成的次级电路中所诱导出的涡流效应具有差异性。通过前期研究发现，基于牛奶液体介质的抗磁特性以及在50-90kHz的磁导率范围(相对磁导率1.0013-1.0015)，所以选用的磁芯采用铁镍磁粉心铁芯，其中铁镍磁粉心包含50wt％铁和50wt％镍，在励磁电压1000-1500V，双峰脉冲波形和频率50-90kHz时能完成对牛奶的有效杀菌处理，同时最大程度的保留营养物质，磁芯的特性参数如下表1所示：

表1：磁芯的特性参数

实施例二：

本实施例提供一种基于交变磁场的低温高品质牛乳杀菌处理装置，参见图2，所述装置包括：进样瓶101，蠕动泵102，励磁电源103，接样瓶104和实施例一所述的低温牛乳杀菌设备200。

本实施例中，低温牛乳杀菌处理设备200中的磁芯201选择O型磁芯。

如图2-图4所示，所述低温牛乳杀菌处理设备200包括：O型磁芯201，励磁线圈202，磁耦合管203，储料室204，处理室205，出液管206，三通连接头207，底座208。

如图2所示，低温牛乳杀菌处理设备200中，励磁线圈202缠绕于O型磁芯201的上侧，磁耦合管203缠绕于O型磁芯201的左右两侧。励磁线圈202与励磁电源103连接。

由图3所示的侧视图和图4所示俯视图可以看出，低温牛乳杀菌处理设备200包括有两个储料室204，分别设置在O型磁芯201的前后位置，两个储料室204通过处理室205连通；其中一个储料室204(为描述方便，称该储料室204为进料储料室)与液体流入口209相连接，另一个储料室204(为描述方便，称该储料室204为出料储料室)与液体流出口210相连接。其中液体流入口209即为处理室205的流入口，而液体流出口210即为处理室205的流出口。如图3所示，液体流入口209与液体流出口210之间的处理室205与充满琼脂的磁耦合管203相连接。

两个储料室204通过处理室205连通，O型磁芯201前侧的储料室204的下方设有进样口301，牛乳从进样口进入到进料储料室204，进而通过处理室205上的液体流入口209流入处理室205，在处理室205经过磁感应电场处理后，再通过处理室205上的液体流出口210进入到出料储料室204中，待两个储料室204均充满牛乳后，处理完成的牛乳从出料储料室204中流出，然后从出样口302流入接样瓶104。

由图可知，磁耦合管203、储料室204和处理室205通过三通转接头207相连接。

本实施例提供的基于交变磁场的低温高品质牛乳杀菌装置可以对生牛乳进行连续化处理，图2中进样瓶101和接样瓶104分别用于存放处理前和处理后的牛乳。

处理过程中，励磁电源103对励磁线圈202施加1000-1500V、波形为双峰脉冲、频率f为50-90kHz的励磁电压从而让励磁线圈202缠绕的磁芯201产生交变磁场，该交变磁场会在充满琼脂的磁耦合管203中产生交变的感应电场，由于牛乳本身具有一定的电导率(0.1-10S/m)和磁导率(相对磁导率1.0013-1.0015)，所以可以在交变磁场的磁感应热效应(涡流)和非热效应(感应电场)的协同作用下对生牛乳进行杀菌处理。

低温高品质牛乳杀菌设备200中，O型磁芯201上方的励磁线圈匝数之和为1-3匝，磁芯201两侧的磁耦合管匝数之和为25-45匝。处理室205与磁耦合管203截面积之比范围为1:60-1:1。处理室205长度为10-20cm，处理室内磁感应电流密度1.5-2.8A/cm

考虑牛奶液体介质的抗磁特性以及在50-90kHz的磁导率范围(相对磁导率1.0013-1.0015)，低温高品质牛乳杀菌设备200中，O型磁芯201采用包含50wt％铁和50wt％镍的铁镍磁粉心铁芯，磁芯的特性参数如上表1所示。磁芯201的有效磁路长度l为20-100cm，磁芯201的横截面积A为8-25cm

采用上述低温高品质牛乳杀菌设备200进行杀菌处理时，处理速度不超过0.5L/min。

处理过程中，为维持杀菌温度始终处于不高于65℃的条件下，在处理室205外层设有恒温夹套。

处理室205和磁耦合管203具有电绝缘性，可采用聚四氟乙烯、特氟龙、石英、水晶、玻璃或搪瓷材料。

本申请提供的基于交变磁场的低温高品质牛乳杀菌处理装置可一次性通过处理室205完成连续式处理。

为验证本申请提供的基于交变磁场的低温高品质牛乳杀菌方法的杀菌效果，对生牛乳进行杀菌实验得到下述的实施例三和实施例四。

实验步骤如下：

(1)生牛乳购于当地乳品厂，乳样采自健康牛只的新鲜乳汁，为白色、均匀、无沉淀的流体。

(2)将步骤(1)所购的生牛乳放入冰盒中立刻运回实验室，回实验室后将样品于无菌超清工作台内分装到500ml无菌瓶中，在4℃下贮藏。

(3)为了保证实验的严谨性，每次实验前都用4％氢氧化钠溶液，10％次氯酸消毒液和无菌水对管路进行依次清洗。

评价指标及实验方法如下：

微生物总数检测方法：测定方法参照GB 4789.2-2016《食品安全国家标准食品微生物学检验菌落总数测定》中的平板计数法进行；

大肠杆菌群检测方法：测定方法参照GB 4789.3-2016《食品安全国家标准食品微生物学检验大肠菌群计数》中的平板计数法进行；

金黄色葡萄球菌群检测方法：测定方法参照GB 4789.10-2016《食品安全国家标准食品微生物学检验金黄色葡萄球菌检验》中的定性检验进行；

沙门氏菌群检测方法：测定方法参照GB 4789.4-2016《食品安全国家标准食品微生物学检验沙门氏菌检验》中的定性检验进行；

乳铁蛋白测定方法：测定方法参照T/TDSTIA 006-2019《奶及奶制品中乳铁蛋白的测定液相色谱法》中的方法进行；

免疫球蛋白测定方法：测定方法参照SN/T 3132-2012《出口牛乳制品中牛免疫球蛋白G的测定酶联免疫吸附法》中的方法进行；

乳过氧化物酶的测定方法：测定方法参照CAC/GL 13-1991《乳过氧化物酶保鲜原料奶导则》》中的方法进行；

实施例三

本实施例提供一种基于交变磁场的低温高品质牛乳杀菌方法，采用上述实施例二所述的基于交变磁场的低温高品质牛乳杀菌处理装置。

具体的，如图2所示，所采用的基于磁感应电场的低温牛乳杀菌装置包括：进样瓶101，蠕动泵102，励磁电源103，接样瓶104和催陈处理设备200。催陈处理设备200包括：O型磁芯201，励磁线圈202，磁耦合管203，储料室204，处理室205，出液管206，三通连接头207和底座208。

本实施例中，励磁线圈202缠绕于O型磁芯201上方，励磁线圈202的匝数为1匝，通过励磁电源103对励磁线圈202施加1500V的激励电压，O型磁芯201采用铁镍磁粉心铁芯，其中铁镍磁粉心包含50wt％铁和50wt％镍，磁芯的特性参数如上表1所示。

O型磁芯201初始磁导率为1700(H/m)，工作时的磁通密度为0.6T，O型磁芯201的有效导磁面积为12cm

通过电导率仪测得电导率为5400S/m的牛乳(25℃)流通处理室205时，通过通用电表仪在处理室205两端测得其受到的有效电势差为1872V，两边处理室205的长度为12cm，电场强度为156V/cm。当牛乳充满处理室205时，通过阻抗分析仪测得其阻抗为3500Ω/10cm，因此处理室205中的感应电流为2.6A，感应电流密度为5.7A/cm

经检验，上述处理过的牛乳中的微生物总数被有效控制在30CFU/ml以内，对人体有巨大危害的致病菌大肠杆菌群、金黄色葡萄球菌群、沙门氏菌群均未检出，符合食品国家安全标准。牛乳中鲜奶免疫球蛋白含为244mg/ml，仅下降了18％；乳铁蛋白含量为53mg/L，仅下降了16％；乳过氧化物酶含量为1771mg/ml，仅下降了19％。在牛奶的贮藏期实验中，经过该装置杀菌的低温奶货架期可达50天以上。

实施例四

具体实施措施同实例三，区别在于，励磁电源103对励磁线圈202施加1000V的激励电压。通过通用电表仪在处理室205两端测得其受到的有效电势差为1230V，处理室205的长度为12cm，电场强度为156V/cm。当牛乳充满处理室205时，通过阻抗分析仪测得其阻抗为3800Ω/10cm，因此处理室205中的感应电流为1.6A，感应电流密度为3.2A/cm

经检验，处理过的牛乳中的微生物总数被有效控制在100CFU/ml以内，对人体有巨大危害的致病菌大肠杆菌群、金黄色葡萄球菌群、沙门氏菌群均未检出，符合食品国家安全标准。牛乳中免疫球蛋白含为292mg/ml，仅下降了11％；乳铁蛋白含量为57mg/L，仅下降了10％；乳过氧化物酶含量为1880mg/ml，仅下降了14％。在牛奶的贮藏期实验中，经过交变磁场仪器杀菌的低温奶货架期可达30天以上。

为进一步突出本申请相对于巴氏杀菌的优势，本申请特提供以下对比例：

对比例一

具体实施措施同实例三，区别在于，不用交变磁场装置进行处理，模仿巴氏杀菌：将恒温水浴锅温度设定为77℃，将生牛乳无菌取样于5ml无菌试管中，将已灭菌的温度探头置于液面中央，待温度加热至75℃后保持15秒将样品取出置于4℃冰箱内冷却。

按照实例三相同的方法对巴氏75℃杀菌的牛奶的保质期和含有的有益活性物质的保留进行评价，结果显示，经巴氏75℃处理过的鲜奶中的微生物总数为3500CFU/ml，大肠杆菌群、金黄色葡萄球菌群、沙门氏菌群均未检出，符合食品国家安全标准。经巴氏75℃处理过的鲜奶免疫球蛋白含为185mg/ml，下降了38％；乳铁蛋白含量为40mg/L，下降了36％；乳过氧化物酶含量为1421mg/ml，下降了35％.在牛奶的贮藏期实验中，经过巴氏75℃杀菌的奶货架期为21天。

对比例二

具体实施措施同实例三，区别在于，不用交变磁场装置进行处理，模仿巴氏杀菌：将恒温水浴锅温度设定为82℃，将生牛乳无菌取样于5ml无菌试管中，将已灭菌的温度探头置于液面中央，待温度加热至80℃后保持15秒将样品取出置于4℃冰箱内冷却。

按照实例三相同的方法对巴氏80℃杀菌的牛奶的保质期和含有的有益活性物质的保留进行评价，结果显示，经巴氏80℃处理过的鲜奶中的微生物总数为700CFU/ml，大肠杆菌群、金黄色葡萄球菌群、沙门氏菌群均未检出，符合食品国家安全标准.经巴氏80℃处理过的鲜奶免疫球蛋白含为166mg/ml,下降了43％；乳铁蛋白含量为38mg/L，下降了40％；乳过氧化物酶含量为1290mg/ml，下降了41％.在牛奶的贮藏期实验中，经过巴氏80℃杀菌的奶货架期为30天。

对比实施例三和对比例一可知，本申请装置在65℃下进行处理即可鲜奶中的微生物总数被有效控制在30CFU/ml以内，对人体有巨大危害的致病菌大肠杆菌群、金黄色葡萄球菌群、沙门氏菌群均未检出，符合食品国家安全标准。而且鲜奶免疫球蛋白含为244mg/ml，仅下降了18％；乳铁蛋白含量为53mg/L，仅下降了16％；乳过氧化物酶含量为1771mg/ml，仅下降了19％。而在牛奶的贮藏期实验中，经过该装置杀菌的低温奶货架期可达50天以上。

传统巴氏杀菌，在75℃下进行处理后的鲜奶中的微生物总数仍然高达3500CFU/ml，虽然大肠杆菌群、金黄色葡萄球菌群、沙门氏菌群也均未检出，符合食品国家安全标准，但经巴氏75℃处理过的鲜奶免疫球蛋白含为185mg/ml，下降了38％；乳铁蛋白含量为40mg/L，下降了36％；乳过氧化物酶含量为1421mg/ml，下降了35％.在牛奶的贮藏期实验中，经过巴氏75℃杀菌的奶货架期为21天。

由此可见，本申请装置可以在更低温度下对生牛乳进行杀菌处理，而杀菌效果远远高于传统巴氏杀菌，而且由于本申请在更低温度下对生牛乳进行杀菌处理，其中的鲜奶免疫球蛋白、乳铁蛋白以及乳过氧化物酶等对人体有益的物质也得到了更多的保留。

进一步的，通过上述实施例四，可以看到，通过调整相应的参数，本申请还可以在更低的温度(46℃)进行杀菌，且微生物总数被有效控制在100CFU/ml以内，对人体有巨大危害的致病菌大肠杆菌群、金黄色葡萄球菌群、沙门氏菌群均未检出，符合食品国家安全标准。经仪器处理过的鲜奶免疫球蛋白含为292mg/ml，仅下降了11％；乳铁蛋白含量为57mg/L，仅下降了10％；乳过氧化物酶含量为1880mg/ml，仅下降了14％。在牛奶的贮藏期实验中，经过交变磁场仪器杀菌的低温奶货架期可达30天以上。