陶瓷膜除菌技術在生產冰淇淋方面的應用研究

劉利清

（包頭輕工職業技術學院，內蒙古包頭014035）

0 引言

膜過濾技術是一種使用半透膜并借助化學位差或者外界能量使物質進行相位轉移的分離方法[1-4],該方法可以代替超高溫瞬時殺菌和巴氏殺菌，有效的截留原料奶中的霉菌、酵母菌、細菌和體細胞，使乳中有效成分通過，由于分離過程中原料奶沒有經過劇烈受熱，不僅降低能耗，而且可以防止熱敏物質失活，保持原奶原有風味[5]。

目前，國外關于陶瓷膜除菌技術在牛乳中應用的研究時有報道[6-8]，但是國內鮮有研究，僅有的一些研究也只是停留在奶酪、延長貨架期牛乳這兩個方面[9-11]，還沒有將陶瓷膜除菌技術應用在冰淇淋生產中的相關報道。

本文研究了陶瓷膜除菌技術在冰淇淋中的應用，并比較了膜孔徑、溫度、壓力和錯流流速對膜通量、除菌率、蛋白截留率和冰淇淋感官的影響，優化出最佳工藝參數，為陶瓷膜除菌生產冰淇淋的實際應用提供技術參考。

1 材料和方法

1.1 材料

原料乳：包頭市周邊某牧場收購的生鮮牛乳，各項指標符合國家標準。

1.2 儀器

冰淇淋中試設備。

除菌設備：陶瓷過濾膜（實驗型）。

1.3 工藝流程

原料奶→離心脫脂→均質→膜除菌→脂肪高溫處理后回填、混合→均質→標準化→后續工藝

1.4 感官品評

由包頭輕工職業技術學院專任教師5人、學生45人組成感官評定小組，對冰淇淋感官品質進行打分，滿分為100分。

2 結果與分析

2.1 不同工藝條件對膜通量的影響

2.1.1 孔徑對膜通量的影響

在溫度為50℃，壓力為0.5 MPa，錯流流速為6 m/s的條件下，測定四種孔徑對膜通量的影響情況，結果如圖1所示。

圖1 孔徑對膜通量的影響

由圖1可以看出，膜孔徑越大，初始通量越大，1.4 μm的膜初始通量為318 L/（m2·h），而0.5 μm的膜初始通量僅僅為158 L/（m2·h），隨著過濾操作的進行，4種孔徑的膜通量均呈下降趨勢，這可能是由于牛乳中的一些長鏈物質如蛋白質類、乳糖類等同時通過膜孔，造成膜孔堵塞，由于大分子長鏈物質又受到靜電效應影響，從而造成大分子被留在孔膜中，導致膜通量下降。所以，建議選擇1.4 μm的膜進行生產。

2.1.2 溫度對膜通量的影響

在孔徑為1.4 μm，壓力為0.5 MPa，錯流流速為6 m/s的條件下，測定溫度對膜通量的影響情況，結果如圖2所示。

圖2 溫度對膜通量的影響

溫度是影響乳蛋白截留率和膜通量的一個重要因素。由圖2可以看出，隨著溫度升高，膜通量隨之升高。這可能是由于隨著溫度的升高，分子擴散系數增大，牛乳黏度下降，組分溶解度增大，因此膜通量提高，乳蛋白截留率降低。但若操作溫度太高，會使牛乳產生蒸煮味，甚至發生蛋白變性，嚴重影響成品品質，并且造成資源浪費，因此，綜合考慮，將操作溫度定為50℃較為合適。

2.1.3 壓力對膜通量的影響

在孔徑為1.4 μm，溫度為50℃，，錯流流速為6 m/s的條件下，測定壓力對膜通量的影響情況，結果如圖3所示。

圖3 壓力對膜通量的影響

由圖3可以看出，隨著壓力增加，膜通量隨之增大，但這種趨勢并不是線性的，當壓力增大到0.4 MPa時，濾膜通量變化減小，最后趨于穩定。這可能是由于壓力在0.4 MPa以下時，過濾過程主要受壓力控制，但壓力升高后，吸附和沉積物的沉降速率增大，并且大于牛乳錯流膜面時的剪切力，膜孔堵塞和膜面濃差極化導致污染速度加快，當達到平衡后，由于牛乳黏度較高，因此壓力對膜通量影響極小。因此，綜合考慮能耗和過濾效果，操作壓力為0.4 MPa較合適。

2.1.4 錯流流速對膜通量的影響

在孔徑為1.4 μm，溫度為50℃，，壓力為0.5 MPa的條件下，測定錯流流速對膜通量的影響情況，結果如圖4所示。

圖4 錯流流速對膜通量的影響

由圖4可以看出，隨著錯流流速的增高，膜通量隨之升高，這可能是由于流速增大，牛乳對沉積層的剪切力增大，從而膜通量相應增大。而當錯流流速達到6 m/s時，膜通量趨于穩定，這可能是由于牛乳黏度較大，一味增加流速使得膜面的吸附與沉淀物不斷疊加，飽和之后，牛乳剪切力與二者的吸附力趨于平衡，膜通量隨之趨于穩定。對牛乳而言，錯流流速太小，膜容易受到污染；錯流流速太高，既耗能又不利于膜通量增大，因此綜合考慮，選擇6 m/s的錯流流速較為合適。

2.2 工藝條件的優化

根據單因素實驗結果，選擇膜孔徑（A）、溫度（B）、壓力（C）、錯流流速（D）四個因素，每個因素確定四個水平，進行L16（44）正交實驗。正交實驗因素水平表及正交實驗結果如表1和表2所示。

為了獲得最佳工藝條件，在單因素試驗的基礎上，選取孔徑、溫度、壓力、錯流流速四個因素進行正交實驗，以除菌率、蛋白截留率和冰淇淋感官評分作為測定指標，結果如表2所示。

由表2可以看出，采用陶瓷膜進行除菌，除菌率均在99%以上，達到了預期的效果，從級差R的大小可以看出，各因素對除菌率影響由大到小依次為：孔徑＞錯流流速＞溫度＞壓力；各因素對蛋白截留率的影響主次順序為：錯流流速＞溫度＞壓力＞孔徑；各因素對冰淇淋感官的影響主次順序為：溫度＞孔徑＞錯流流速＞壓力，其中，溫度對冰淇淋感官的影響最大，溫度越高，冰淇淋口感越差，這可能是由于殺菌溫度較高時，巰基氧化成二氧化硫從而產生蒸煮味或焦糊味，嚴重影響了冰淇淋的口感。

將各因素對膜通量的影響情況做表，結果見表3。從表3可以看出，孔徑越大，膜通量越高，結合前期試驗結果（孔徑越大，除菌效果越好），選擇1.5 μm孔徑作為最佳實驗孔徑；隨著溫度的升高，膜通量也隨之升高，但是趨勢并不明顯，但是前期結果表明，溫度從47℃上升至56℃，冰淇淋的感官品質急劇下降，因此最佳試驗溫度應該為47℃；隨著壓力的升高，膜通量也隨之升高，但是到了0.4 MPa時，膜通量基本沒有變化，這與前期試驗結果一致，因此選擇0.4 MPa作為最佳實驗壓力；隨著錯流流速的升高，膜通量也隨之升高，但是到了6 m/s時，膜通量基本沒有變化，這與前期試驗結果一致，因此選擇6 m/s作為最佳錯流流速。綜合各因素均值和工藝效應分析，得出陶瓷膜除菌技術在生產冰淇淋時的最佳工藝條件為A4B1C3D3，即膜孔徑為1.5 μm，溫度為47℃，壓力為0.4 MPa，錯流流速為6 m/s。

表1 正交實驗因素水平

表2 正交試驗結果

表3 最佳過濾工藝效應表

3 結論

（1）使用陶瓷膜除菌技術生產冰淇淋時，各因素對除菌率影響由大到小依次為：孔徑＞錯流流速＞溫度＞壓力；各因素對蛋白截留率的影響主次順序為：錯流流速＞溫度＞壓力＞孔徑；各因素對冰淇淋感官的影響主次順序為：溫度＞孔徑＞錯流流速＞壓力。

(2)陶瓷膜除菌技術在生產冰淇淋時的最佳工藝條件為A4B1C3D3，即膜孔徑為1.5 μm，溫度為47 ℃，壓力為0.4 MPa，錯流流速為6 m/s。

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