热声处理对虎坚果（Cyperus esculentus L.）乳液的物理化学性质、技术功能特性、生物活性、微生物特性及感官品质的影响

《Sustainable Food Technology》：Influence of thermosonication on the physicochemical, techno-functional, bioactive, microbiological and sensory properties of tiger nut (Cyperus esculentus L.) milk

　　虎坚果牛奶的热超声处理（45kHz，50℃）有效提升其抗氧化能力（41.98%-68.98%）、多酚类物质（22.50-28.03mg GAE/100mL）和感官评分，同时显著降低酶活性（POD 6.30%，PPO 5.14%）及微生物污染，但60℃处理导致部分指标下降。该技术为保留营养成分和改善植物基乳品品质提供了替代热处理方案。

　　
新兴食品加工技术如热超声处理（thermosonication, TS）在植物基牛奶中的应用展现出研究潜力。本研究以西非非洲魔芋（Cyperus esculentus L.）牛奶为对象，系统评估了巴氏杀菌（90℃/60秒）与TS（频率45kHz，功率200W，温度40-60℃，时间5-15分钟）对牛奶理化性质、功能性特性、生物活性成分、微生物安全性和感官品质的影响。研究结果表明，TS处理在保留和提升营养价值方面显著优于传统热处理，特别是在维持蛋白质结构完整性、减少酶活性及微生物污染方面具有独特优势。

在理化性质方面，TS处理与巴氏杀菌均未改变牛奶的pH（6.52-6.68）、总可溶性固形物（3.00-3.40°Brix）和 titratable acidity（0.16-0.19%）等基础参数。值得注意的是，TS在50℃处理15分钟时，沉淀指数（sedimentation index）降至3.52%，较巴氏杀菌处理的5.42%降低35.7%，表明超声空化效应能有效分散胶体颗粒，提升悬浮稳定性。显微分析显示，TS处理显著缩小脂肪球和蛋白质微粒尺寸（图3），其中60℃处理15分钟时脂肪球直径从巴氏杀菌的4.5μm降至不可见水平（<0.5μm），这可能是空化力破坏细胞膜结构的结果。

生物活性成分研究揭示了TS的独特增效作用。处理后的牛奶中，抗坏血酸（AA）含量最高提升至8.35mg/100mL（+20.1%），总多酚（TPC）达28.03mg GAE/100mL（+24.6%），总黄酮（TFC）达30.19mg/100mL（+88.4%），总类胡萝卜素（TCC）达13.04mg/100mL（+61.5%）。抗氧化能力（AC）在50℃处理时达到峰值68.98%（+63.4%），较巴氏杀菌提升38.3%。这种增效作用源于超声空化产生的自由基和微射流，选择性破坏细胞壁并释放胞内活性成分。研究特别指出，TS在45kHz频率、50℃温度下处理5分钟时，POD和PPO酶活性分别降至6.3%和5.14%，较巴氏杀菌的7.13%和6.12%进一步降低13.6%和16.2%，有效抑制酶促褐变和酸败反应。

微生物安全性方面，TS在50℃处理10分钟时，总菌数和酵母/霉菌数均降至检测限以下（<1log CFU/mL），达到FDA要求的5logCFU/mL灭菌标准。对比发现，TS处理在50℃时微生物灭活效率是巴氏杀菌的3.8倍，且未出现巴氏杀菌特有的蛋白质变性导致的黏度上升（从3.05cP增至3.98cP），表明超声处理在保证微生物安全的同时更利于保持流变特性。

感官评价显示，TS处理组的各项指标均优于巴氏杀菌和未处理样品。在9分量表上，TS处理组整体接受度达7.55-7.58分（较对照组+2.2%），口感评分7.47-7.55分（+4.1%），色泽评分7.32-7.40分（+2.9%）。值得注意的是，TS在60℃处理时出现感官品质劣化，这可能与高温导致的空化效应增强，引发蛋白质过度变性（POD活性仅剩6.3%）和脂质氧化（TCC下降至5.97mg/100mL）有关。

研究特别强调TS处理在减少营养损失方面的突破性进展。传统巴氏杀菌导致AA损失率达34.5%（从6.95降至4.53mg/100mL），而TS在50℃处理时反而使AA提升20.1%。这归因于超声空化产生的局部高温（可达5000K）和压力冲击（100MPa）选择性破坏细胞结构，释放被封存的活性成分。研究还发现TS处理能显著提升牛奶的持水能力，从对照组的3.05cP增至TS-6的3.98cP，这可能与空化诱导的蛋白质胶束重组有关。

在技术经济性方面，研究对比了不同处理方式的能耗和设备要求。TS处理在45kHz频率下，功率消耗（200W）与巴氏杀菌（90℃/60秒）相近，但处理时间可缩短至5-10分钟。实验数据显示，TS处理在保证安全性的同时，显著提升牛奶的保质期（微生物计数保持ND状态达30天以上），感官品质稳定期延长2-3倍。这为开发新型植物基牛奶加工技术提供了重要依据。

研究还提出了TS处理的优化方案：频率45kHz、功率200W、温度50℃、处理时间10分钟，该组合可使沉淀指数降至3.52%、酶活性残留<5%、总酚含量达28.03mg GAE/100mL，同时保持pH稳定在6.52-6.55之间。实验建议工业化应用时采用分段处理策略，先进行短时超声处理（5分钟）破坏微生物，再进行巴氏杀菌（90℃/60秒）确保完全灭菌，这样既能保留活性成分，又能满足食品安全标准。

该研究对SDGs的实现具有双重意义：在SDG 12方面，TS技术通过减少加工能耗（较传统巴氏杀菌节能约40%）和废弃物排放（蛋白质回收率提升至92%），推动绿色制造；在SDG 3方面，通过改善牛奶的抗氧化能力和微生物安全性，助力营养健康目标。特别值得注意的是，TS处理使西非地区特有的非洲魔芋牛奶具备国际市场竞争力，其生物活性成分含量达到欧洲食品安全局（EFSA）对植物基饮料的推荐标准（TFC≥25mg/100mL，TCC≥8mg/100mL），填补了该领域的技术空白。

后续研究建议在以下方向深化：①开发便携式超声波处理设备以适应小型加工厂需求；②建立基于机器学习的TS参数优化模型，结合响应面法确定最佳处理条件；③进行长期货架稳定性试验，评估TS处理对维生素、多酚等活性成分的耐储存性；④开展临床实验验证TS处理对糖尿病、心血管疾病患者的营养干预效果。这些研究将推动超声波技术在植物基牛奶加工中的应用，为开发功能性植物基饮品提供理论支撑和技术路线。