超濾技術在鹽水奶酪中的應用研究

楊永龍，張杰，宗學醒，劉衛星

(內蒙古蒙牛乳業（集團）股份有限公司研發中心，呼和浩特011500)

超濾技術在鹽水奶酪中的應用研究

楊永龍，張杰，宗學醒，劉衛星

(內蒙古蒙牛乳業（集團）股份有限公司研發中心，呼和浩特011500)

以新鮮牛乳為主要原料，結合鹽水奶酪的生產工藝，研究了不同超濾膜孔徑、操作參數對產品得率和通量的影響，根據實驗結果確定最優超濾膜孔徑10 nm，操作溫度55℃，操作壓力0.3 MPa，同時采用L9(33)正交實驗方法，研究了不同滅菌方式、混合菌株、鹽溶液質量分數對鹽水奶酪色澤、滋氣味和組織狀態的影響，生產鹽水奶酪最佳工藝條件是滅菌方式72℃，15 s，混合菌株（乳酸乳桿菌︰乳酸乳球菌乳脂亞種）1︰1，鹽溶液質量分數為15%。

鹽水奶酪；截流率；膜通量；工藝參數

0 引言

膜分離是利用天然或人工合成的高分子薄膜，以界能量或化學位差為推動力，對雙組分或多組分的溶質和溶劑進行分離、分級、提純和濃縮的技術[1]。超濾膜的分離原理是利用只能留下大分子物質而只允許水分子和其他—些小分子物質通過的膜，根據各類分子的大小來進行分子分離的過程。由于超濾能夠截留原料乳中幾乎全部的蛋白質，超濾在乳品工業中重要應用就是濃縮乳蛋白質[2]。鹽水奶酪是介于天然硬質奶酪和酸奶之間的一種乳制品，具有較高商業價值。隨著工業化的發展，鹽水奶酪生產工藝采用了超濾技術[3]。

本文通過比較不同超濾膜孔徑、操作溫度、操作壓力等對產品得率和膜通量的影響，以及不同滅菌方式、混合菌株、鹽溶液濃度對產品色澤、滋氣味和組織狀態的影響，優化選出最適宜的工藝參數，為超濾技術在鹽水奶酪中的廣泛應用和有效推廣提供技術參考。

1 實驗

1.1 材料

原料乳，發酵劑，凝乳酶。

牛肉膏，蛋白質胨，酵母膏，葡萄糖，磷酸氫二鉀，醋酸鈉，檸檬酸胺，硫酸鎂，吐溫80，硫酸鉀，硫酸銅，硫酸礦，氫氧化鈉，硼酸。

1.2 設備

前處理設備（進口），膜處理設備（進口），100 L奶酪槽(自制)，奶酪切割刀(自制)，切割刀（國產），壓榨裝置（國產），奶酪模具（自制)，鹽水槽（自制)，電子天平（Mettler-PB303S），手持式pH計（Mettler-FG2），手持式溫度計（Testo-926）。

2 方法

2.1 工藝流程

原料乳接收→超濾→滅菌→注入奶酪槽→加入發酵劑→加入凝乳酶→凝乳→切割→攪拌裝模→排乳清→鹽漬→成熟。

2.2 操作要點

（1）原料乳接收。原料乳應是新鮮無抗牛乳，無不良氣味，無摻假摻雜，每100 g原料乳的脂肪指標為3.10%～3.30%，蛋白質為2.95%～3.10%，比重為1.029～1.031 g/cm3，pH值為6.40～6.80，體積分數為75%的酒精呈陰性。

（2）超濾。將原料乳升溫至45～50℃，然后通過超濾設備，回收截流液，同時排出滲透液，截流液/原液的濃縮比為1︰2。

（3）滅菌。將截流液預熱至60～65℃，采用4～5 MPa的均質壓力和巴氏滅菌，然后冷卻至30～35℃。

（4）加入發酵劑。將滅菌的原料乳冷卻后注入奶酪槽內，添加由乳酸乳桿菌和乳酸乳球菌乳脂亞種組成的發酵劑，攪拌均勻，預發酵時間是1 h。

（5）加入凝乳酶。將凝乳酶用10倍純凈水稀釋成酶溶液，混合均勻直接潑入奶酪槽內，然后攪拌3～5 min，整個凝乳時間是45～60 min。

（6）切割。首先使用奶酪切割刀水平切割，然后再垂直切割，最后上下橫切，切割成1～2 cm小方塊，切割時間控制在5 min以內，切割完畢靜置3～5 min。

（7）攪拌裝模。當凝乳粒達到適宜大小后開始攪拌，攪拌20 min后排出25%的乳清，再持續攪拌25 min，然后將凝乳粒和乳清一起放入鹽水奶酪模具內。

（8）排乳清。將奶酪模具在室溫下自重20～24 h，翻轉奶酪模具3～5次，以排出乳清，然后放入壓榨機內，壓榨3～5 h，此階段對鹽水奶酪的硬度、酸度和濕度都會產生重要的影響。

（9）鹽漬。當凝塊pH值達到4.70時，從奶酪模具內取出，使用切割刀將凝塊切成邊長約10 cm，質量約100 g的立方塊，將切好的奶酪塊浸泡在質量分數為15%～16%食鹽水溶液中。

（10）成熟。在2～4℃條件下，鹽水奶酪的成熟時間是40～45 d[4]。

2.3 質量評定

2.3.1 截留率計算方法

截留率是指膜濾過程中截留住特定溶質量占總溶液特定溶質量的百分比率，其關系式為

R=(1-Cp/Cv)×100%，

式中：R為截留率；Cp為透過液中溶質的質量濃度；Cv為原溶液中溶質的質量濃度[5]。

2.3.2 感官評定方法

鹽水奶酪的感官評定采用百分制，分別對成品的色澤、滋氣味和組織狀態進行打分，具體的評分標準是：色澤：滿分為30分，其中乳白色為30分，淺白色或深白色為20分，異常顏色為10分；滋氣味：滿分為40分，其中香味濃厚，微酸，無任何異味為40分，香味較弱，微酸，但無任何異味為30分，香味很弱，有輕微異味為20分，無香味，且有令人不愉快的異味為10分；組織狀態滿分為30分：其中表面平滑，有少量氣孔為30分，表面較粗糙，有較多氣孔為20分，表面粗糙，有很多氣孔為10分。

3 結果與分析

3.1 不同超濾膜孔徑對產品得率的影響

3.1.1 不同超濾膜孔徑的除雜試驗

蛋白質的分離和除雜過程使用超濾膜，以截留脂肪、蛋白質，除去水分、乳糖、礦物質等物質。現有超濾膜Ⅰ和超濾膜Ⅱ，將原料乳400 L通過兩個超濾膜處理，溫度為（55±2）℃，進口壓力為0.3 MPa，出口壓力為0.1 MPa，流量為25 L/min。測定超濾過程中兩支膜的通量，檢測截留液和透過液的體積。實驗結果如圖1，表2，表3所示。

圖1 超濾膜除雜通量衰減曲線

表1 超濾膜參數

表2 一級超濾膜過濾結果

表3 一級超濾膜除雜過程檢測結果

由圖1和表2可以看出，超濾膜Ⅰ和超濾膜Ⅱ的濃縮倍數分別是19.06倍和16.24倍，平均通量分別為222.16 L/（h·m2）和197.87 L/（h·m2），通過比較超濾膜Ⅰ和超濾膜Ⅱ可知，超濾膜Ⅰ通量較大，且運行穩定，能夠滿足所需的生產能力。由表3可知，超濾膜Ⅰ的乳糖透過率比超濾膜Ⅱ的乳糖透過率大。所以，選擇超濾膜Ⅰ為超濾除雜用膜。

3.1.2 不同超濾膜孔徑的濃縮試驗

將上級步驟中收集到的透過液200 L通過超濾膜濃縮處理，盡量濃縮蛋白質，透過非蛋白物質。溫度為（55±2）℃，進口壓力為0.3 MPa，出口壓力為0.1 MPa，流量為25 L/min，測定超濾過程中兩支膜的通量，檢測截留液和透過液的體積，結果如圖2和表4所示。

圖2 超濾膜濃縮通量衰減曲線

表4 二級超濾膜過濾結果

由圖2和表4可以看出，超濾膜Ⅰ和超濾膜Ⅱ的濃縮倍數分別是11.34倍和10.96倍，平均通量分別是26.98 L/（h·m2）和18.87 L/（h·m2），通過比較超濾膜Ⅰ和超濾膜Ⅱ可知，超濾膜Ⅰ通量較大，且運行穩定，能夠滿足生產的需要。超濾膜Ⅰ的透過液中蛋白質含量較高，非蛋白物質的透過率較高，且濃縮倍數高，產品損失少，濃縮效果顯著，并且經過超濾膜Ⅰ處理所得蛋白質純度更高。所以，選擇超濾膜Ⅰ為超濾濃縮用膜。

3.2 不同操作參數對超濾膜通量的影響

3.2.1 操作溫度對超濾膜通量的影響

圖3 不同溫度超濾膜通量隨時間變化曲線

由圖3可知，在壓力0.3 MPa條件下，溫度對超濾膜通量的影響主要表現在前20 min，通量隨溫度升高逐漸提高，并且45℃和55℃時起始通量明顯高于其他溫度條件，在35 min后通量都達到了平衡狀態，沒有明顯下降，說明此時的凝膠層已經形成。由圖3可知，45℃和55℃時的通量差別不大，但由于45℃時容易滋生微生物，不適合選擇。因此，應該選擇55℃為宜。

3.2.2 操作壓力對超濾膜通量的影響

圖4為不同壓力超濾膜通量隨時間變化曲線。

由圖4可以看出，在超濾進行的5～15 min時間內，超濾膜通量隨時間增加而迅速下降，隨后趨于穩定狀態，無明顯變化，這說明在超濾初期，蛋白質很快在超濾膜的表面吸附，形成吸附層，表現出通量迅速衰減。隨著超濾的不斷進行，蛋白質在超濾膜的表面逐漸形成凝膠層，通量逐漸趨于平衡。其次，操作壓力過大，不僅會增加能耗，還會使超濾過程中所形成的凝膠層厚度和致密度增加，加重膜的污染。所以，操作壓力選擇0.3 MPa為宜。

圖4 超濾膜通量隨時間變化曲線

3.3 不同滅菌方式對產品色澤和組織狀態的影響

表5為不同滅菌方式的影響。由表5可以看出，在以下的3種滅菌方式中，采用90℃/15 s的滅菌方式，蛋白質回收率雖然較高，但鹽水奶酪組織狀態較差，色澤微黃；采用63℃/1800 s的滅菌方式，鹽水奶酪色澤、組織狀態與72℃/15 s滅菌方式的效果沒有明顯差別，但采用后者的滅菌方式，蛋白質的回收率更高。同時，原料乳經過巴氏滅菌或高溫短時滅菌后，部分乳清蛋白變性，沉淀在酪蛋白的膠粒上，從而增加可凝固的蛋白質含量，鹽水奶酪的組織狀態也變得較為疏松[6]。所以，根據實驗結果，選擇72℃/15 s為最佳滅菌方式。

表5 不同滅菌方式的影響

3.4 不同混合菌株對產品滋氣味和組織狀態的影響

表6為不同混合菌株的影響。由表6可以看出，隨著乳酸乳球菌乳脂亞種比例的增加，鹽水奶酪預酸化期間的酸味加強，苦味也加強，主要是因為乳酸乳球菌乳脂亞種產酸能力較強，同時分解了一定數量的蛋白質，產生了小分子苦味肽，若比例過大，必然會產生很強烈的酸味和苦味；而乳酸乳桿菌產酸能力稍差，且分解蛋白質的能力也較弱，若其比例過大，則鹽水奶酪預酸化期間的酸度太低，凝乳特性和組織狀態都比較差，所以確定最佳的混合菌株比例乳酸乳桿菌：乳酸乳球菌乳脂亞種為1︰1。

表6 不同混合菌株的影響

3.5 不同鹽溶液質量分數對產品滋氣味和組織狀態的影響

鹽水奶酪是典型的鹽水腌漬和浸泡奶酪，鹽漬可以改善奶酪的滋氣味和組織狀態，延緩乳酸發酵的進程，抑制腐敗微生物的生長，其次，由于滲透壓的作用，鹽漬還可以降低水分，控制奶酪產品中的水分。本研究選擇鹽溶液質量分數分別為8%，15%，22%；不同鹽溶液質量分數對鹽水奶酪的滋氣味和組織狀態影響如表7所示。

表7 不同鹽溶液質量分數的影響

由表7可以看出，隨著鹽溶液質量分數的增加，鹽水奶酪硬度隨之增加。原因是食鹽促進了蛋白質間的相互作用，增加食鹽用量還可排除更多的乳清，食鹽質量分數直接影響鹽水奶酪的滲油性，鹽溶液中的鈉離子與酪蛋白基質中的鈣離子交換，增加了酪蛋白乳化脂肪的能力，減少滲油現象，使鹽水奶酪的質地變硬。隨著鹽溶液質量分數的增加，鹽水奶酪感官評價值越高，這是因為較高的鹽水濃度抑制了蛋白質水解酶的活性，產生的苦味肽較少，部分咸味得到了掩蓋[7]。由于鹽水奶酪水分質量分數較大，質地偏軟，并且過高的鹽溶液質量分數會使鹽水奶酪的口感偏咸，綜合以上考慮，鹽溶液質量分數選擇15%為佳。

3.6 生產工藝的優化

本研究根據3個單因素試驗確定影響鹽水奶酪工藝生產結果，分別是滅菌方式、混合菌株、鹽溶液質量分數，通過鹽水奶酪的質量評定和極差分析來確定最佳工藝參數，生產工藝的正交實驗如表8和表9所示。

表8 因素水平

由表9可以看出，影響工藝生產結果因素的大小順序依次是：C＞A＞B，即鹽溶液濃度、滅菌方式、混合菌株。隨著C因素鹽溶液濃度的增加，產品的硬度也逐漸增加，同時鹽水奶酪的感官效果也越好，但過高的鹽溶液濃度使產品的口感偏咸；隨著A因素滅菌方式的逐漸升高，蛋白質回收率逐漸增加，但較高或較低的滅菌方式直接影響產品色澤和組織狀態；隨著B因素乳酸乳球菌乳脂亞種比例的增加，鹽水奶酪在預酸化期間的酸味加強，苦味也加強。生產鹽水奶酪的最佳工藝組合為A2B1C2，即混合菌株（乳酸乳桿菌：乳酸乳球菌乳脂亞種）為1︰1，滅菌方式為72℃/15 s，鹽溶液質量分數為15%，與單因素實驗結果一致。

3.7 成品的各項指標

（1）感官指標。色澤：呈現均勻一致的乳白色。滋氣味：具有令人愉快的風味，香味濃厚，微微的酸味。組織狀態：表面平滑，分布有少量的氣孔，無表皮。

表9 生產工藝試驗結果極差結果分析

（2）理化指標。水分為66%，脂肪為18%，食鹽為2.6%（均為質量分數）。

（3）微生物指標。大腸菌群（最近似值）≤0.90 g-1。致病菌（腸道致病菌、致病性球菌）不得檢出[8]。

4 結論

本文利用超濾技術生產鹽水奶酪，通過比較不同超濾膜孔徑、操作溫度、操作壓力等對產品得率和膜通量的影響，選擇了最佳的超濾膜孔徑為10 nm，操作溫度為55℃，操作壓力為0.3 MPa，同時采用L9(33)正交實驗的方法，對鹽水奶酪的生產工藝進行了優化，確定最佳工藝條件為滅菌方式為72℃/15 s，混合菌株（乳酸乳桿菌︰乳酸乳球菌乳脂亞種）為1︰1，鹽溶液質量分數為15%，最終產品色澤呈均勻的乳白色，具有鹽水奶酪特有的風味，表面光滑并分布有少量的氣孔。

[1] 劉術明,馬春麗.膜技術在乳品工業中的應用[J].中國乳品工業,2002,30(3):21-24.

[2] 畢海丹,崔旭海,張永忠.膜技術在乳品工業中應用的最新進展[J].食品與發酵工業,2005,31(3):99-104.

[3] 郭本恒.干酪[M].北京:化學工業出版社,2004:91-94.

[4] 李瑩,周劍忠,黃開紅,等.羊乳干酪加工工藝研究[J].江蘇農業學報,2008,24(4):497-500.

[5] 時鈞,袁權.膜技術手冊[M].北京:化學工業出版社,2001:336-351.

[6] 李昌盛,張富新,鄒鯉嶺,等.不同因素對羊奶干酪出品率和乳成分回收率的影響[J].江蘇農業學報,2009,25(2):403-406.

[7] FOX P F,GUINEE T P,COGAN T M,et al.Fundamentals of Cheese Science[M].Gaithersburg Maryland:Aspen Publishers,2000:284-305.

[8] 中國國家標準化管理委員會.干酪衛生標準GB 5420-2003[S].北京:中國標準出版社,2003.

Applied research of the ultra filters technology in the salt water cheese

YANG Yong-long,ZHANG Jie,ZONG Xue-xing,LIU Wei-xing
(Inner Mongolia MengNiu Dairy Industry(Group)Co.Ltd R&D Center,Huhhot 011500,China)

Take the fresh cow's milk as the primary data,the union salt water cheese technique of production,has studied the different ultra filter diaphragm aperture,the operating parameter to the product rate and the flux influence,is most superior according to the experimental result determination ultra filter diaphragm aperture 10 nm,the operating temperature 55℃,service pressure 0.3 MPa,simultaneously uses L9(33)orthogonal test method,studied the different antiseptic way,mixed culture,the salt brine density to the salt water cheese luster,to incite the smell and the organization condition influence,the production salt water cheese best technological conditions is the antiseptic way 72℃，15 s,mixed culture(Lactobacillus lactis∶Lactococcus lactis cremoris)1∶1,salt brine density 15%.

ultra filters;salt water cheese;orthogonal test

TS252.1

A

1001-2230（2011）01-0026-04

2010-07-09

“十一五”國家科技支撐計劃項目（2006BAD04A06）。作者簡介：楊永龍（1981-），男，工程師，從事乳制品的工藝研究。