膜過濾技術在生產ESL乳中的應用研究

劉利清

（包頭輕工職業技術學院，內蒙古包頭014035）

膜過濾技術在生產ESL乳中的應用研究

劉利清

（包頭輕工職業技術學院，內蒙古包頭014035）

以鮮牛乳為主要原料，采用L9（33）正交試驗方法，研究膜過濾工藝除菌時，不同孔徑、溫度、壓力和錯流流速對膜通量、除菌率、體細胞數量的影響，結果表明，最佳工藝條件為膜孔徑為0.8μm，溫度為53℃，壓力為0.45MPa，錯流流速為7m/s。

陶瓷膜；除菌；體細胞數；延長貨架期牛乳

UHT乳保質期長，但是營養成分損失較多，有明顯的蒸煮味；巴氏殺菌乳有效的保存了原料乳中的營養，但是保質期短，銷售半徑小。延長貨架期牛乳（Extended shelf-life，ESL）在一定程度上避免了UHT乳和巴氏殺菌乳的不足，既能夠延長產品保質期，又能最大限度的保留原料乳的營養和風味，是目前乳制品加工業的一個新趨勢。

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。

本文研究了陶瓷膜除菌技術在ESL乳中的應用，并比較了膜孔徑、溫度、壓力和錯流流速對膜通量、除菌率和體細胞數量的影響，優化出最佳工藝參數，為陶瓷膜除菌生產ESL乳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

除菌設備[陶瓷過濾膜（實驗型）]：杭州沃騰膜工程有限公司提供（WTM-CM-01）。

1.3 工藝流程

原料奶→離心脫脂→均質→膜除菌→無菌包裝

1.4 方法

乳成分采用FT120進行檢測，細菌總數采用流式細胞儀進行檢測，體細胞數采用SCC-100型體細胞檢測儀進行檢測。

除菌率=（1-過濾后細菌濃度/過濾前細菌濃度）× 100%

體細胞去除率=（1-過濾后體細胞數/過濾前體細胞數）×100%

蛋白截留率=（1-過濾后蛋白質量分數/過濾前蛋白質量分數）×100%

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0.5MPa，錯流流速為6m/s的條件下，測定4種孔徑對膜通量的影響情況，見圖1。

圖1 孔徑對膜通量的影響Fig.1 Effects of GP on filtrate flux

從圖1可以看出，隨著過濾操作的進行，4種孔徑的膜通量均呈下降趨勢，在90min時，達到穩定狀態，且1.2μm和1.4μm孔徑膜的通透量分別為99L/（m2·h）和92 L/（m2·h），均小于0.5μm和0.8μm孔徑膜的穩態通量。這可能是由于牛奶中的蛋白膠束粒徑大約在1.2μm左右，因此會吸附在孔徑為1.2μm和1.4μm濾膜的表面，形成凝膠層，隨著過濾的不斷進行，大蛋白膠束造成膜孔堵塞，導致膜通量急劇下降，而孔徑為0.5μm和0.8μm的膜由于孔徑遠遠小于乳中長鏈大分子物質的粒徑，所以這些微粒不會造成膜孔堵塞。因此在生產中，應選用0.5μm或0.8μm孔徑的膜，但由于0.8μm的膜在清洗及價格上較有優勢，因此最終選擇0.8μm的膜進行生產。

2.1.2 溫度對膜通量和蛋白截留率的影響

在孔徑為0.8μm，壓力為0.5MPa，錯流流速為6m/s的條件下，測定溫度對膜通量和蛋白截留率的影響情況，見圖2。

圖2 溫度對膜通量和蛋白截留率的影響Fig.2 Effects of temperature on filtrate flux and protein interception rate

溫度是影響乳蛋白截留率和膜通量的一個重要因素。從圖2可以看出，隨著溫度升高，膜通量隨之升高，蛋白截留率隨之下降，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。無論是從膜通量方面考慮，還是從蛋白截留率方面考慮，均是溫度越高越好，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0.8μm，溫度為50℃，錯流流速為6m/s的條件下，測定壓力對膜通量的影響情況，見圖3。

圖3 壓力對膜通量的影響Fig.3 Effects of pressure on filtrate flux

從圖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0.4MPa時，濾膜通量變化減小，最后趨于穩定。這可能是由于壓力在0.4MPa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0.4MPa較合適。

2.1.4 錯流流速對膜通量的影響

在孔徑為0.8μm，溫度為50℃，壓力為0.5MPa的條件下，測定錯流流速對膜通量的影響情況，見圖4。

圖4 錯流流速對膜通量的影響Fig.4 Effects of flow rate on filtrate flux

從圖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6m/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6m/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，使用孔徑為0.8μm的膜，選擇溫度（A）、壓力（B）、錯流流速（C）3個因素，每個因素確定3個水平，進行L9（33）正交試驗。正交試驗因素水平表及正交試驗結果見表1、表2。

表1 正交試驗因素水平表Table1 Factors and levels of orthogonal test

為了獲得最佳工藝條件，在單因素試驗的基礎上，選取溫度、壓力、錯流流速3個因素進行正交試驗，以除菌率和去除體細胞率作為測定指標，結果見表2。

表2 正交試驗結果表Tab le2 Results ofor thogonal test

從表2可以看出，陶瓷膜除菌率均在99%以上，去除體細胞率均在99.50%以上。去除體細胞率要高于除菌率，這可能是由于細菌粒徑在1μm～5μm，體細胞粒徑為10μm，因此0.8μm的膜對體細胞去除效果較好。目前，我國原料乳中體細胞數量維持在一個較高的水平：平均數為87萬個/mL[9]，而高體細胞數會導致牛乳熱穩定性降低[10]，干酪成熟過程中脂肪和蛋白質的不良水解，產生不良氣味的羰基化合物從而影響乳制品的感官品質，UHT乳儲存期間產生凝膠現象等[9]。目前在生產乳制品的工藝中，沒有針對性的措施可以去除體細胞，而本次研究證明，采用膜過濾的方法，可以有效的降低原料乳中體細胞數量，達到保證乳制品的質量的目的。

從級差R的大小可以看出，各因素對除菌率和體細胞去除率的影響由大到小依次為：溫度＞錯流流速＞壓力，生產ESL牛乳時的最佳工藝條件為A3B3C1，即溫度為53℃，壓力為0.45MPa，錯流流速為7m/s。

2.3 驗證實驗

采用溫度為53℃，壓力為0.45MPa，錯流流速為7m/s的條件，進行試驗（3個平行樣），除菌率為99.69%，體細胞去除率為99.95%，因此本工藝合理、可行。

3 結論

1）使用陶瓷膜除菌技術生產ESL牛乳時，各因素對除菌率和體細胞去除率的影響由大到小依次為：溫度＞錯流流速＞壓力。

2）陶瓷膜除菌技術在生產ESL牛乳時的最佳工藝條件為A3B3C1，即溫度為53℃，壓力為0.45MPa，錯流流速為7m/s。

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Application of Microfiltration of Ceramic Menbrane to the Production of ESL Milk

LIU Li-qing
（Baotou of Industry Technical College，Baotou 014035，Inner Mongolia，China）

With fresh milk as main raw materials，using L9（33）orthogonal test method，the ceramic membrane filtration process was studied，in different GP，temperature，transmembrane pressure and flow rate，impact filtrate flux，degerming ratio and SCC.And the best technical parameters was GP 0.8μm，temperature 53℃，transmembrane pressure0.45MPa，and flow rate7m/s.

ceramic membrane；degerming；SCC；ESL milk

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.01.019

2014-07-07

劉利清（1978—），女（漢），講師，本科，研究方向：食品加工。