壓差法氣體滲透儀評估二氧化碳抑菌技術對乳制品保鮮

乳制品抑菌保鮮，是乳制品貯藏乃至銷售階段具有重要意義的環節，關系到食用者的健康、生產企業的經濟損失和企業形象。酸化、變質，是導致乳制品風味劣變和漲袋的核心因素，也是乳制品保鮮貯藏技術所面對的大挑戰。乳制品酸化變質，不單單僅是菌群的個人表演，而是菌群及其釋放的胞外酶的共同作用而成。
乳制品變質的主要成因——微生物
乳制品營養豐富，是廣譜微生物群的理想培養基。大部分乳制品成品，如巴士殺菌鮮奶、酸奶等，需要采用低溫貯藏以保持優良品質和營養成分。但低溫貯藏并不是對所有微生物都有抑制作用，比如嗜冷菌。根據文獻資料，所有乳制品貨架期中，25%的問題由耐熱的嗜冷菌引起的。
嗜冷革蘭氏陰性菌屬，其生長使冷藏的原料和巴氏殺菌乳、脫脂干酪和類似產品中的微生物惡化。假單胞菌，是嗜冷菌的代表菌株，革蘭氏陰性、兼性厭氧、嗜冷菌，不僅可以在乳中生長，還可釋放出許多可降解乳成分的胞外酶，主要是蛋白酶和脂肪酶，能夠分解蛋白質和脂肪，使乳產生感官缺陷。這些酶具有耐熱特性，從而影響了巴氏殺菌乳的產品保藏質量。
酵母和霉(地絲菌屬、扇·霉屬，毛霉，支鏈胞屬，青霉菌）導致風味、質地和可見。耐熱的乳酸球菌的生長能降低巴氏殺菌乳的pH值直到發生凝乳。
相關研究表明，鮮牛乳經巴氏殺菌后仍殘有一定數量的微生物。一般自牛乳經巴氏殺菌后7d內，微生物生長緩慢。隨著貯藏時間的延長，以假單胞菌為主的嗜冷菌數量快速增長，當貯藏時間到10~12d，假單胞菌數量可達峰值。于此同時，乳酸鏈球菌等開始迅速繁殖，分解乳糖產生乳酸，酸度升高，牛乳的PH值持續下降。此時假單胞菌的生長受限，12d后開始大量死亡。當PH值降到5時，乳酸鏈球菌的生長也受抑制。由于乳酸桿菌的耐酸能力較強，逐漸占領繁殖優勢，并繼續產酸。此時，乳中出現大量乳凝塊，并有乳清析出。
二氧化碳抑菌技術在乳制品的應用
二氧化碳，是碳原子氧化狀態，常溫下以的氣體狀態存在，微溶于水。二氧化碳是一種天然抗微生物劑，具有抑制微生物生長的作用。因為，二氧化碳分子是非極性的，易溶解在微生物細胞膜的脂質雙分子層中，會增加膜的流動性，從而使細胞質暴露在有毒的環境中。微生物的細胞質含有水分，而二氧化碳與水將發生水合反應，生成碳酸，導致細胞質的PH值降低，這種變化將給細胞加壓。二氧化碳在細胞內積累，微生物視其為代謝廢物需消耗更多代謝能量。同時取代氧氣小限度發生降解反應，擾亂微生物正常的生理平衡。
二氧化碳抗菌技術應用于乳制品保鮮常采用兩種方式：直接添加二氧化碳的方式和充入二氧化碳混合氣體的MAP氣調包裝技術。
已有相關研究證實，二氧化碳對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性微生物的生長都具有抑制作用。這種抑制作用的發揮效果主要依賴于二氧化碳在產品中的溶解程度，故更易溶解的液態乳制品更宜采用直接添加二氧化碳的方式。
1、直接添加二氧化碳
直接添加二氧化碳的方法是將裝有液化和壓縮二氧化碳的鋼瓶利用減壓閥和導管連通液態乳容器底部，以較低的壓力向液態乳中充入適量二氧化碳。
當采用此方法對于液態乳的貨架期具有顯著的延長作用。例如巴氏殺菌乳，常規貨架期一般為15d左右，直接充入二氧化碳后貨架期可延長7天左右。但是，這種對液態乳貨架期的有益作用還受到包裝材料阻隔性的影響。
包裝材料是隔離液態乳與外界環境的屏障，重點是對氧氣這一加速乳品氧化變質進程的氣體的阻隔。該性能一般利用包裝材料的氧氣透過率指標表征，氧氣透過率越大的包材，單位時間內透過同一面積包材的氧氣量就越多。*，氧氣能促進微生物的生長繁殖，這就致使二氧化碳抗菌效果以及延長貨架期的作用大打折扣。
標準集團（香港）有限公司技術工程師曾利用壓差法氣體滲透儀測試了不同貯藏溫度下的多種液態乳包裝材料的氧氣透過率，如表1所示。可見，復合膜的氧氣透過率明顯低于PE膜，這是因為復合膜集合了多種膜材的優點，尤其是添加了鋁箔的復合膜，氧氣透過率僅為同溫度下PE膜的0.05%~0.16%。表1也反映了包裝材料的氧氣透過率指標受溫度影響情況，即溫度越高，材料的氧氣透過率越大，越不利于對氧氣的阻隔。

基于表1的試驗結果，對于采用直接添加二氧化碳抑菌方法的液態乳，建議選擇多層塑塑復合膜、鋁塑復合膜、紙鋁塑復合膜，或者鍍鋁復合膜等，能產生協同抑菌作用。相關研究顯示，原料乳中注入二氧化碳后，采用高阻隔材料包裝，其貨架期提高了97.9%，而采用低阻隔材料包裝，其貨架期也提高了65.6%。
2、添加二氧化碳混合氣體的MAP氣調包裝技術
MAP又稱氣調保鮮包裝，是一種通過調節包裝內氣體含量以營造利于抑菌保鮮氣體氛圍的包裝形式。粉類乳制品，由于形態緣故，更適宜采用MAP氣調包裝技術。實際中，需要將一定比例的氮氣和二氧化碳混合氣體充入包裝內，惰性氣體氮氣能大限度降低乳粉包裝內氧氣殘留量，二氧化碳則協同發揮對乳粉中嗜氧菌繁殖的抑制作用，延長貨架期。
需要注意的是，MAP氣調包裝技術的抑菌效果與包裝內各氣體成分含量的穩定程度密切相關。若乳粉所用包裝對氣體的阻隔性較差，或乳粉包裝密封不良，則易改變包裝內部氮氣或二氧化碳的含量，這也是乳粉氣調包裝要求使用對氣體具有高阻隔性的包裝材料，以及建立定期檢測包裝內氣體成分含量的日常監測機制的原因。
標準集團工程師曾利用頂空氣體分析儀測試了罐裝乳粉和鋁塑復合膜袋裝乳粉兩種乳粉試樣的頂空氣體成分含量，結果如表2。罐裝乳粉采用的是充入二氧化碳和氮氣的氣調包裝，試驗期間各氣體成分含量較為穩定，原因可能在于馬口鐵罐自身對于氣體優異的阻隔性。鋁塑復合膜袋裝乳粉采用的是充氮包裝形式，從表2可以觀察到，氧氣含量隨著貯藏時間的延長出現緩慢上升，氮氣和二氧化碳含量逐漸減少。這可能由于鋁塑復合袋表面存在針孔或折痕，或者存在泄漏點，增大了包裝整體的氧氣透過量。