牛奶大概是最不讓中國人民省心的食物了，不是一會兒多了個什麼O，就是一會兒多了個什麼菌。事實上，牛奶工業一路走來，逐步建立起的各種規範措施還是相當嚴格的，若非一些人為因素的擾亂，也不至於如此讓人凌亂，讓我們來瞭解一下牛奶的滅菌。
讓溫度與時間來殺死它們
大家都知道許多細菌能夠導致人們生病。健康奶牛新產的奶中細菌非常少，但細菌在自然環境中無處不在。對於細菌來說，牛奶可以算得上生長的樂園。在7攝氏度以上，很多細菌就可以「星火燎原」了。
現代社會的牛奶不可能現擠現喝。從擠出到分銷到消費者手中，總是需要一段時間。在這段時間裡，細菌有無數機會進入牛奶，蓬勃發展起來。雖然有一些人追逐「未經熱處理的生奶」，不過細菌污染的風險實在太大。世界各國的學術界和食品管理機構，都不贊同喝這樣的生奶。
滅菌，成了當今牛奶產銷中不可缺少的一個環節。
一般來說，稍微有一點生活常識就不難理解：溫度和時間，是決定細菌能否被殺死的兩個關鍵因素。細菌不是一個物種，而是無數物種的統稱。通常每一種細菌有最適合它生長的條件。在該條件下，那種細菌可以很容易地大量滋生。在某些「不利條件」下，比如低溫，細菌只是停止了活動，但並沒有被殺死。只要等到條件適合，它們就又活躍起來。而有的「不利條件」下，比如高溫，它們就可能被殺死，而無法起死回生了。不過，細菌的生長習性各不相同，對於一種細菌是致命的酷熱，對於另一種細菌可能只是洗了個桑拿而已。
在任何一個「不利」的溫度下，一定時間內死亡的細菌數跟它們的總數呈確定的比例。比如說，在63攝氏度，有100萬個某種細菌。過了6分鐘，還剩下10萬個。在食品科學上，就把這個6分鐘稱為這種細菌在63攝氏度的D值，意思是「在63攝氏度下，殺死90％的該細菌所需的時間是6分鐘」。再過6分鐘，剩下的10萬個細菌依然不能完全死去，還會剩下10％（即1萬個）。如此下去，再過6分鐘，還會剩下1000個；又過6分鐘，還剩100個……
實際上，牛奶中不止一種細菌。不過有的細菌沒有什麼危害，有的細菌能讓人生病（被稱為「致病細菌」）。理論上說，需要挑選最頑強的致病細菌來作為指標。當最不容易殺滅的那種致病細菌減少到不足以興風作浪，其他的細菌也就不足為慮了。不過在傳統上，是採用總的細菌數來計算。前面舉例所說的數據，就是傳統的巴斯德滅菌所採用的數字。在63攝氏度下，牛奶細菌的D值為6分鐘。經過30分鐘，奶中的細菌數降低到初始值的10萬分之一。合格的生奶（美國標準是滅菌前細菌數不超過每毫升30萬）經過這樣的殺菌，細菌數降到很低。在恰當的冷藏條件下，這樣得到的「巴氏消毒奶」可以存放兩三周，而細菌總數也不至於重新長到有害的程度（比如美國要求每毫升不超過2萬個）。
63攝氏度加熱30分鐘的方式對於家庭作坊生產還比較方便，對於大規模的工業化生產就不是那麼方便了。工業上，希望加熱時間短，因而可以連續地讓牛奶流過加熱區，實現流水線操作。
細菌的生存對於溫度非常敏感。溫度上升，它們就更加容易被殺死。體現在數字上，就是前面所說的D值隨溫度升高急劇降低。牛奶的D值在63攝氏度是6分鐘，到了72攝氏度，就變成了3秒。也就是說，同樣把細菌數降低到初始值的十萬分之一，只需要15秒就夠了。這樣的滅菌條件叫做「高溫快速巴斯德滅菌」，簡稱HTST過程。在HTST流程中，牛奶連續通過加熱器，控制流速使之在72攝氏度的管道中待夠15秒，再進入冷卻區迅速降溫。然後進行包裝、冷藏。
D值降低到1/10所需要增加的溫度被定義為Z值。牛奶中的各種細菌的Z值一般為5～10攝氏度，有的甚至在5攝氏度以下。除了細菌之外，牛奶中還有兩類人們關注的物質：酶和維生素。這兩類物質具有「生物活性」，在加熱的條件下也會失去活性。它們失去活性的行為也跟殺滅細菌類似，也有D值和Z值。一般來說，酶的Z值為30～40攝氏度，而維生素的Z值為20～25攝氏度。也就是說，溫度升高，對細菌的影響遠遠比維生素和酶要大。舉例來說，假如細菌和維生素的Z值分別是5攝氏度和20攝氏度。如果把溫度提高20攝氏度，那麼細菌的D值將降低到原來的萬分之一（對於細菌而言，溫度升高了4個Z值）；而維生素的D值只降低到了原來的十分之一（對維生素而言，溫度升高了1個Z值）。這樣，在高的溫度下，只需要加熱原來時間的萬分之一就可以獲得相同的滅菌效果。對於維生素，雖然D值是原來的十分之一，但是加熱時間只是原來的萬分之一。因此，通過高溫來實現同樣的滅菌效果，對維生素的破壞遠遠比低溫滅菌要少。這就是HTST的優勢。
「致病菌不得檢出」，規定容易執行難
理論上說，衡量滅菌效果的好壞，需要對滅菌後的牛奶進行細菌數檢測來確定。不過實際操作中，檢測細菌數費時費力，並不是那麼方便。
在牛奶中，有一種酶可以把生物大分子上的磷酸根去掉，叫做「鹼性磷酸酶」。它的失活行為比較特別，跟細菌差不多。實際的牛奶檢測中，往往是把它的活性當作「信號」來指示滅菌的好壞。如果滅菌不好，它的活性就會比較高；如果它的活性低於某個設定值，就可以認為滅菌比較徹底了。
在中國的生奶舊標準中，有一條「致病菌不得檢出」。在2010版新標準中，這一條被刪除了。有人認為，雖然新標準中規定的總細菌允許值增加了，但是如果能保證「致病菌不得檢出」，那麼生奶中的細菌就不是致病細菌，也就不會產生毒素。經過滅菌，也就不會有害健康了。
這在理論上當然可行，不過幾乎沒有可操作性。牛奶中的致病菌種類不少，「致病菌不得檢出」作為規定寫入國家標準，只需要增加7個字。但是，它的執行難度就不是紙上談兵那麼容易了。總細菌數的檢測尚嫌複雜，要一一檢測每種致病細菌，操作成本會大大增加。尤其是對於那些散戶經營的牛奶，再增加幾種致病細菌的檢測，增加的檢測成本將由誰來承擔？
實際上，即使是美國那套遠比中國嚴格的生奶標準，也沒有「致病細菌不得檢出」的要求。對於細菌，他們要求檢測總細菌數和大腸菌數。大腸菌數是一大類細菌，並非某種特定的致病細菌。他們認為，把細菌總數和大腸菌總數控制到一個較低水平，就意味著牛奶生產的各個環節都有很好的衛生監控，其安全性就可以得到保障了。
不清楚生奶舊標準中的「致病菌不得檢出」是如何執行的。不過，如果生奶新標準中保留了這一要求，大概也可以算是極具「中國特色」了——有著比其他國家都寬鬆的總細菌數標準，卻也有著其他國家都沒有做到的「致病細菌檢測」。
巴氏奶與常溫奶，差別有多大？
媒體把生奶新標準的制定當作巴氏奶與常溫奶的鬥爭。常溫奶和巴氏奶的倡導者也的確一直互相指責甚至攻擊。「常溫奶派」宣稱更符合中國國情，而「巴氏奶派」則強調常溫奶的超高溫滅菌破壞了牛奶的營養。毋庸諱言，巴氏奶和常溫奶，在風味、安全性和營養上存在差異。關鍵是，這種差異有多大？對於消費者，這些差異又意味著什麼？
巴氏滅菌的目標是把細菌數降低到十萬分之一，用專業術語來說是5個「log reduction」。在某一溫度下，加熱時間是該溫度下細菌D值的5倍。經過巴氏消毒，牛奶中的細菌並沒有被全部殺滅。在滅菌之後依然需要冷藏。即使在冷藏條件下，殘存的細菌也還是會緩慢生長。所謂巴氏奶的保質期，其實是這些細菌長到某個量之前的時間。國外的巴氏奶滅菌以及後續的處理保存要求嚴格，這一個「變質期」可以長達3周，一般把保質期定位兩周。而國內目前的巴氏奶，因為種種原因，保質期一般只有幾天。滅菌之後需要冷藏，保質期也只有幾天，對於產銷鏈的要求的確要高許多。在中國目前的社會條件下，基本上只能依靠當地產當地銷。而異地企業，基本上也就無法涉足。
在巴氏滅菌條件下，尤其是高溫快速的巴氏滅菌條件下，對於牛奶的風味和維生素的影響比較小。牛奶中還有一些酶，在加熱中這些酶通常會失去活性。有人認為酶失去活性導致了牛奶的營養價值降低。實際上，到目前為止，並沒有可靠的依據表明牛奶中的這些酶對人體有「生物活性」。它們是否失活，並不改變牛奶的營養價值。另一方面，這些酶中的一些種類會分解牛奶中的脂肪或者蛋白質，導致牛奶「變質」。通過加熱使之失活，對於保持牛奶的品質是有利的。
常溫奶是在超高溫（通常高於135攝氏度）下保持一兩秒鐘，即超高溫滅菌（UHT），其滅菌目標是12個「log reduction」。也就是說，其加熱時間至少是該溫度下D值的12倍。經過超高溫滅菌，基本上不可能還有細菌存活。在密封條件下，經過這樣處理的牛奶不用冷藏，也可以保持幾個月甚至更長時間。如果生奶中具有大量的致病細菌，它們分泌的某些毒素不能被巴氏奶破壞。因為毒素往往是蛋白質，經過超高溫瞬時滅菌處理，其破壞程度會大一些。從細菌和毒素的角度來說，常溫奶的安全性確實要高一點。因為不需要冷藏而且保質期長，異地產銷就成為可能，使得廠家更容易實現市場擴張。
顯然，超高溫瞬時滅菌是更「嚴苛」的加熱條件，它對維生素的破壞也會更多。如果要比較營養「誰高誰低」，自然是巴氏奶稍勝一籌。不過，牛奶只是飲食中維生素來源之一，人們喝牛奶主要是為了獲取其中的蛋白質和鈣，而蛋白質和鈣不會因為超高溫瞬時滅菌損失，也可以說常溫奶相對於巴氏奶的營養損失並不大。
總菌數高的生奶不適合做巴氏奶，原因並不是許多人認為的「無法達到巴氏奶的滅菌要求」或者「增加巴氏滅菌成本」。實際上，總菌數從每毫升50萬增加到200萬，只增加了0.6個「log reduction」需求。相對於巴氏滅菌要求的5個「log reduction」，如果採用標準的高溫快速消毒溫度，只需要把滅菌時間從15秒增加到17秒左右就夠了。如果通過提高溫度，則提高不到1攝氏度就可以保持15秒的標準時間。不管哪種方式，對於滅菌成本的增加都微不足道。
二者的最大差異其實在於外觀和風味。巴氏滅菌奶基本上保持了滅菌前的乳白和奶味，而超高溫滅菌則會使奶色變暗，相對而言不再「秀色可餐」，同時產生一定的「焦煳味」，則會掩蓋奶本來的風味。當總菌數達到每毫升200萬，意味著生奶從擠奶到滅菌前的過程中衛生條件控制很差，吸收的異味和細菌產生的異味，已經大大改變了牛奶的風味。而這些異味，巴氏滅菌並不能去除。這樣得到的巴氏奶，消費者光是從味道上就能覺察出「不對」來。如果那200萬細菌中有分泌毒素的致病細菌，巴氏消毒也只能殺死細菌而可能無法去除毒素。這種情況下，問題也就更加嚴重了。而經過超高溫處理之後，產生的「焦煳味」足以掩蓋奶本身的異味，消費者也就無從覺察出「異常」來。
微濾除菌新技術
雖然有諸多不足，在當前的食品工業中，加熱依然是滅菌最經濟最有效的方法。不過，一些新興的技術逐漸得到應用，可以在不同的方面克服加熱的不足。在奶製品行業，微濾技術是應用比較多的一種。
作為微濾，就是使用一層濾孔在微米量級的濾膜來對原料進行過濾。一般的微濾膜孔徑在0.6～2微米。選擇適當的濾膜，可以把細菌留下，而讓乳糖、維生素、礦物質以及蛋白質通過。因為它只是按照個頭大小進行篩選，也就不會破壞維生素、酶以及牛奶的風味。
不過，牛奶中的脂肪顆粒跟細菌大小相當，留下細菌的同時這些脂肪顆粒也無法通過。所以，微濾技術往往用來處理脫脂奶。因為脫去了脂肪，剩下的蛋白質以及其他成分可以通過。如果要生產全脂奶或者低脂奶，就需要把脫下的脂肪另外進行加熱滅菌，再加到經過微濾的脫脂奶中。這當然也需要一些操作成本。
即使不考慮成本，微濾技術也還是有一定缺陷。它只是留下細菌，而對牛奶中的酶無能為力。前面提到過，許多酶會分解脂肪或者蛋白質，也導致牛奶的「變質」。所以，單獨使用微濾來處理牛奶，也不容易使之實現需要的「保質期」。此外，任何一種規格的微濾膜，所說的「截留分子量」或者「孔徑尺寸」，都是一個典型值，而不意味著膜中所有的孔徑都是那個尺寸。也就是說，實際尺寸是圍繞著那個典型值的各種大小不同的尺寸。牛奶中的酪蛋白，多數是聚集成「酪蛋白顆粒」形式存在，其尺寸在零點幾個微米的樣子。也就是說，如果選的濾膜孔徑過大，則有可能放過一些細菌；過小，則有可能留下一部分酪蛋白。如何製造和選擇合適的微濾膜，也是工程師們努力的方向。
相對於加熱滅菌，微濾也有它獨到的優勢。加熱可以很有效地殺滅細菌，但對於細菌或者植物的孢子就無能為力。孢子可以看作一種處於休眠狀態的細菌或者植物「種子」。在巴氏滅菌這樣不算嚴酷的考驗下，它們能夠忍耐過去，耐心等待春天的到來。而微濾則可以把它們一併去除。有實驗顯示，經過微濾處理的脫脂奶，再進行巴氏滅菌，可以把「變質期」從3周延長到40天左右。目前，奶製品行業更多是把它作為一個輔助步驟，與加熱工藝配合使用。