牛乳是自然界最接近完美的食物，含有丰富的人体必需营养成分，包括蛋白质、能量、维生素、矿物质等。随着检测技术的进步，一些对生长发育、肠道健康等有益的微量物质受到关注，如乳铁蛋白、过氧化物酶、免疫球蛋白等。同时，牛乳也是微生物生长极好的培养基，由于生牛乳中含有大量的耐冷菌、乳酸菌等微生物，若不及时进行杀菌或灭菌处理，细菌繁殖和酶类反应会导致牛乳腐败变质，无法食用。现今，全球对牛乳的杀菌或灭菌处理通常为巴氏杀菌或超高温（ultrahigh temperature,UHT）瞬时灭菌。随着消费者对活性营养物质的追求和工业技术的迭代进步，更多的乳杀菌技术逐步从实验室走向生产应用。

热处理的主要目的是破坏病原微生物、减少腐败微生物和灭活酶。牛乳热杀菌处理过程涉及热稳定性、杀菌效应和化学反应效应。牛乳热稳定是判断乳蛋白热稳定的重要因素。高温易导致蛋白质二级和三级结构发生改变，结构变得松散，酪蛋白热稳定性最强，乳清蛋白热稳定性较差，其中免疫球蛋白耐热能力最差，β-乳球蛋白稍强于免疫球蛋白。变性后的蛋白更易被酶水解，消化效能提高。生乳中的微生物包括乳酸菌、肠细菌、嗜热菌、耐冷菌、芽孢菌和致病菌等，不同的热处理强度能导致某些或全部微生物死亡。化学反应包括酸的产生、磷酸钙沉淀、美拉德反应、酪蛋白修饰及巯基相互反应。采用何种热处理取决于过程和终产品工艺因素，国际乳品联合会建议使用的最温和的热处理形式为57～68℃加热5 s，最长可达30 min，可以使原料乳在加工前保存更长时间，如干酪加工。牛乳低温处理条件一般为72～80℃巴氏杀菌15～30 min，酸乳处理条件为90～95℃巴氏杀菌3～5 min。UHT处理（135～150℃处理1～10 s）可使牛乳在环境温度下贮存，具有较长的保质期。

巴氏杀菌的原理是基于病原体耐热性差的特性，使用温和的温度和适当的时间杀灭牛乳中的病原微生物，无法杀死牛乳中的耐热芽孢，因此巴氏杀菌牛乳要在4℃左右的温度下保存。目前巴氏杀菌乳的评定指标和方法多样，主要依据蛋白质变性、美拉德反应和乳糖异构化等指标进行评定。研究杀菌强度对牛乳活性蛋白的影响，结果发现，随着热处理强度提高，牛乳中糠氨酸含量逐渐增加，乳铁蛋白和β-乳球蛋白含量减少。牛乳经75℃、15 s热处理后，其活性蛋白有较大程度保留；但是经85℃、15 s热处理后，牛乳中的活性蛋白变性率达到63.7%～78.5%。光明乳业75 ℃优倍鲜牛乳中乳铁蛋白、免疫球蛋白含量均值分别达到62、250 mg/L，与85℃鲜牛乳相比（乳铁蛋白含量27 mg/L、免疫球蛋白含量107 mg/L），营养指标大幅提高。

利用高通量测序技术研究不同巴氏杀菌条件下乳中优势菌群变化，结果表明，变形菌门和厚壁菌门为优势菌群，假单胞菌占所有属的42%以上。同时检测巴氏杀菌乳中16种游离氨基酸、9种脂肪酸和17种挥发性成分的变化。结果表明，核心功能菌群显著影响风味物质及牛乳质量安全，假单胞菌、隐杆菌、蓝藻和棒状杆菌与风味物质含量呈正相关，而链球菌和拟杆菌与这些物质呈显著负相关。

ESL巴氏杀菌乳介于巴氏杀菌乳和UHT乳之间，杀菌温度为115～130℃，时间控制在1 s或更短的时间。生产ESL牛乳的主要目的是使所有营养细菌和嗜冷细菌的孢子失活，并引起最小的化学变化。与未经热处理及2 种常用巴氏杀菌（65℃、30 min,72℃、15 s）处理乳相比，ESL乳（121℃、5 s）酪蛋白粒径明显增加，破坏酪蛋白胶束结构，产生大规模的交联和凝聚，但是凝聚作用能够使酪蛋白胶束呈现出更均一的状态，其酪蛋白胶束的变性温度略高于未经热处理的对照组，热稳定性最高的为72℃、15 s巴氏杀菌乳，变性温度达到99℃。对比分析巴氏杀菌与ESL巴氏杀菌（121℃、5 s）处理对牛乳乳清蛋白结构的影响，红外光谱结果显示，巴氏杀菌处理对乳清蛋白二级结构影响不显著，而经ESL巴氏杀菌处理后的乳清蛋白中α-螺旋结构含量显著减少，无规则卷曲结构含量显著增多，结构转变的更为无序，稳定性更好。荧光光谱结果表明，ESL巴氏杀菌处理改变了乳清蛋白二级和三级结构。差示扫描量热法分析结果显示，ESL巴氏杀菌处理的乳清蛋白热变性温度为99.9℃，高于巴氏杀菌处理乳清蛋白，表明ESL巴氏杀菌处理后的乳清蛋白稳定性显著提高。报道了创新蒸汽注入加热技术的发展，该技术可以将牛乳加热到150～180℃，时间控制在0.1 s内。该工艺实现了非常高的细菌杀灭率，能够生产商业无菌牛乳，化学变化最小，仅有20%～25%的β-乳球蛋白变性，7℃贮藏28 d期间未发生蛋白水解。

ESL巴氏杀菌牛乳不是无菌包装，在冷藏温度下有7～10 d和21 d或更长的保质期。脂肪含量越高，黏度越大，ESL巴氏杀菌牛乳含有更广泛的风味物质，且风味和挥发性物质含量随时间延长而下降。与高温短时巴氏杀菌相比，ESL巴氏杀菌牛乳有显著的蒸煮味和硫化味及轻微的涩味。使用直接蒸汽注射进行ESL巴氏杀菌的脱脂牛乳比间接加热方式含有较高含量的二甲基硫化物、2-丁酮、3-甲基丁醛和己醛。

高温灭菌包括直接法UHT灭菌、间接法UHT灭菌、一步法保持灭菌和二步法保持灭菌，一般用于常温长保质期牛乳生产。UHT牛乳的优势在于贮藏期内微生物指标极其稳定，但在贮藏过程中会发生一些化学和物理变化，降低牛乳质量，限制了牛乳的接受度或保质期。其中，UHT牛乳在贮藏过程中最严重的变化是胶凝化，形成不可逆的三维蛋白质网络，导致过度沉淀，在包装底部形成一层致密的富含蛋白质的沉淀物，在顶部积累含有过多脂肪的奶油，出现明显分层。牛乳中耐热酶水解蛋白质导致蛋白体系不稳定，此外，物理化学因素，如牛乳/蛋白质浓度、加工过程中的热负荷及牛乳成分等，均会导致胶凝现象发生。酪蛋白胶束大小被认为是UHT处理牛乳稳定性的重要影响因素。将全脂牛乳与不同尺寸的酪蛋白胶束混合，进行均质和UHT处理，发现与含有中等或较大尺寸酪蛋白胶束的牛乳相比，加工前含有较小酪蛋白胶束的牛乳在贮藏过程中形成的沉积物明显较少，这表明牛乳质量的内在变化对UHT牛乳的稳定性很重要。

风味变化是UHT灭菌乳的另一大限制因素，在热加工时，牛乳中蛋白质的赖氨酸残基会与乳糖的羰基发生美拉德反应，不仅影响牛乳的外观，还会降低乳蛋白和氨基酸的生物学价值，一些热加工副产物糠氨酸等对人体有潜在的危害。用蛋白质组学和免疫化学方法研究在UHT条件下调制乳中酪蛋白和β-乳球蛋白的糖基化行为，αs2-酪蛋白和β-酪蛋白对形成Nε-羧甲基赖氨酸的贡献较大，κ-酪蛋白贡献相对较小。糖基化κ-酪蛋白的糠氨酸、5-羟甲基糠醛和羰基化合物含量最低。相反，α-酪蛋白组分表现出高度的糖基化易感性，具有最高的美拉德反应产物水平。

U H T加热是使用蒸汽直喷或蒸气注入，即直接加热，或通过间接加热热交换器。由于直接和间接加热具有不同优点，也有使用这2 种方法的组合系统。报道了间接、直接和2 种方法组合系统的一些代表性温度-时间曲线。结果表明：与直接加热系统相比，间接加热系统的加热速率更低，因此总热负荷更大，β-乳球蛋白变性水平更高，导致牛乳的化学变化更大；通过间接加热处理工艺生产的UHT牛乳往往含有更高水平的挥发性巯基化合物，具有更强烈的蒸煮风味；热处理对骆驼乳、牛乳和山羊乳中氨基酸组成和相对含量有显著影响，且UHT加热处理差异最大，不同程度的热处理均能增加3种乳中Glu、Asp、Met和Cys的含量，赋予处理乳浓郁的乳香味。

随着消费者对安全、营养和新鲜产品需求的日益增长，减少传统热处理带来的负面影响成为学者的研究热点，非热处理加工技术开始崭露头角。

超高压杀菌是将牛乳置于超高压装置中加压处理，增加微生物细胞膜的通透性，选择性钝化酶活性，导致微生物原有的生理机能发生不可逆损伤。

超高压处理强度对牛乳的杀菌效果影响很大。，生牛乳经工作压力600 MPa、保压时间15 min、50℃保温30 min后，大肠菌群全部被杀灭，2～6℃条件下可贮藏30 d。低压有利于牛乳中芽孢激活，高压有利于细菌杀灭，采用低压200 MPa、保压5 min，高压500 MPa、保压30 min后，大肠杆菌全部被杀灭，菌落总数降低99.91%。

超高压处理会改变脱脂乳的色泽，由白色浑浊状变为淡黄色透明或半透明状，色泽的改变主要是由脂肪球粒径和酪蛋白胶束性质的变化引起的。超高压处理对牛乳风味也有影响。在未处理牛乳样品中检测到44种风味化合物，主要为芳香烃类、脂肪烃类和酸类物质，经600 MPa、5 min高压处理后，牛乳中检测到更多种类的风味物质，脂肪烃类和酸类化合物含量显著提高，而芳香烃类化合物含量显著降低。

超高压处理可以最大限度保留牛乳中的营养成分。相对而言，压力敏感的微生物耐热性强，热敏性的微生物耐压能力强，因此超高压技术常常与其他工艺联合使用。

超声波是频率大于20 kHz的声波，由于其频率高、波长短，不仅具有方向性好、功率大、穿透力强等特点，还能引起空化作用、力学效应、热学效应、化学效应和生物效应等特殊效应。超声波的空化效应可以导致细胞被破坏和病毒失活，达到延长牛乳保鲜期的目的。牛乳经超声波处理15～60 s后，可以保存5 d不变质，经杀菌处理的牛乳再经超声波处理，在冷藏条件下可保存18个月。研究超声波、微波和热处理对牛乳发酵过程中菌株活力、乳酸浓度和生物活性（自由基清除能力、蛋白酶活性、肽含量、抗癌活性、α-淀粉酶抑制率和胞外多糖含量）的单独和联合影响。结果表明：超声波处理的微波样品具有更高的抗氧化和抗癌活性，其胞外多糖含量、抗癌活性和α-淀粉酶抑制率显著高于其他处理组；发酵结束时，超声波与微波联合处理的牛乳抗氧化活性分别比超声波高压灭菌、微波灭菌和高压灭菌样品高13.9%、44.7%和77.3%。

脉冲电场处理杀菌原理是极短的脉冲在极高的电场强度下影响细胞膜带电分子，增加膜流动性，在膜中形成孔隙，从而杀灭微生物。1958—1985年，德国工程师Heinz Doeven-Speck开始开发脉冲电场技术。单独使用脉冲电场（电场强度30～35 kV/cm、温度30～40℃）处理全脂牛乳时，微生物数量降低103 CFU/m L，当温度提高至55℃后，微生物数量降低106 CFU/mL。脉冲电场的杀菌效果与温度、微生物种类和生长阶段的相关性较强。碱性磷酸酶、过氧化氢酶、溶菌酶等是影响牛乳质量的相关酶，能够被常规热处理钝化、灭活，可以作为热处理成功的指标。脉冲电场通过影响蛋白酶导致构象发生改变，与酶的类型、结构和辅助因子等有关。通过脉冲电场处理（电场强度26 kV/cm）全脂牛乳，黄嘌呤氧化酶和脂肪酶活性分别降低32%和82%。该研究还评估了脉冲电场对酶的敏感性顺序，依次为碱性磷酸酶>脂肪酶>黄嘌呤氧化酶>纤溶酶。脉冲电场处理和脉冲电场协同加热（52℃）处理对牛乳中纤溶酶活性无影响，但将脉冲电场处理乳温度降至42 ℃时，纤溶酶活性大幅降低。以上研究表明，单独使用脉冲电场对一些微生物和酶的影响有限，需要协同温和热处理技术才能达到更好效果。杀菌时高压脉冲电场影响较大，灭酶时温度影响较大。

微波杀菌原理是改变微生物细胞膜达到致死效果，包括热因素和非热因素。在一定强度微波场的作用下，高温会使得蛋白质变性失活，从而杀灭微生物。与传统的热力杀菌相比，微波杀菌具有升温效率快、时间短、杀菌均匀、穿透力强、营养成分不被破坏等优点。随着微波强度和杀菌结束时牛乳温度的升高，纯培养的微生物数量逐渐降低，微波功率700 W、加热38 s、最终温度27℃时的杀菌条件达到饮用牛乳要求。微波加热相比快速传导加热对钙强化牛乳体系的组分影响差异较小，以离子形式存在的钙强化牛乳体系在微波加热过程中热稳定性较差。研究中试规模下实施连续微波加热（110～125℃、5 s）处理重组脱脂浓缩乳，结果表明，与管式加热相比，微波加热的重组脱脂浓缩乳的乳清蛋白变性（β-乳球蛋白变性减少35%～40%）和沉积物形成（污垢减少90%）显著减少，而颜色变化在所有实验中均不显著。

膜过滤除菌是利用物理截留的方法，将不能透过膜孔隙的微生物从食品中分离出来，达到除菌的作用。膜过滤除菌只是将食品中的微生物分离出来，而不会杀灭微生物，这既符合食品卫生要求，同时又有利于延长食品的贮藏期和货架期。采用孔径1.4μm的陶瓷微滤膜对原料乳进行微滤处理，结果表明，微滤UHT灭菌乳的pH值、滴定酸度、上层脂肪球粒径等品质指标均优于非微滤UHT灭菌乳，货架期也相应延长21～63 d。研究不同工艺下乳过氧化物酶的活性，经85℃或125℃加热15 s后的牛乳几乎检测不到乳过氧化物酶活性，而经75℃加热15 s及低温陶瓷膜过滤处理后的牛乳均能检测出较强的乳过氧化物酶活性，仅经低温陶瓷膜过滤处理后的牛乳中乳过氧化物酶活性损失率最低，即过多的工艺流程会导致乳过氧化物酶活性损失。与高温短时杀菌和紫外处理相比，膜过滤处理能有效截留芽孢和体细胞，在活性成分保留方面，经孔径1.4μm膜过滤处理后，其活性成分的保留率显著高于高温短时处理，活性乳铁蛋白、免疫球蛋白A、免疫球蛋白G、黄嘌呤氧化酶、乳过氧化物酶和免疫球蛋白M保留率分别为90%、88%、87%、72%、97%和94%。

各杀菌技术优劣势如表1所示。

微生物是乳制品加工过程中的主要污染源，随着时代的进步，消费需求的升级也正不断催生乳业科技和产品的创新，使得乳制品的杀菌技术有了进一步发展。非热杀菌技术在保持乳制品品质方面具有独特优势，弥补了传统热杀菌技术的不足。与此同时，非热杀菌技术也有一些待解决的问题：一是其研究仍普遍停留在实验室阶段，暂未形成一定规模的推广及应用；二是单种非热杀菌技术杀菌不彻底、杀菌设备成本高、杀菌处理影响因素不明确等。这些都影响非热杀菌技术在乳制品加工过程中的应用。未来，通过设备开发、工艺优化、非热多技术联用等势必会让非热杀菌技术成为乳业的主流杀菌方式。