不同處理參數對乳清的理化性質及超濾膜通量的影響

文/滕國新 于瑞紅

（1北京城市學院；2新疆瑞源乳業有限公司）

不同處理參數對乳清的理化性質及超濾膜通量的影響

文/滕國新1于瑞紅2

（1北京城市學院；2新疆瑞源乳業有限公司）

乳清是生產奶酪的副產品，生產1 t奶酪產生9 t的乳清，乳清中含有珍貴的乳清蛋白，直接排放進行污水處理，不僅造成資源浪費、成本增加，而且對環境污染嚴重。乳清的加工利用成為需要盡快解決的一個迫切問題。牛奶加工處理參數對乳清的理化性質的影響還未見詳細的研究報道。通過該研究，探求適宜的牛奶的處理方法，來滿足國內對乳清蛋白的利用需求。研究發現，不同發酵工藝和時間造成乳清有不同的pH值，不同的pH值對乳清中成分變化是有影響的。隨著熱處理溫度的升高，乳清蛋白的含量逐漸從0.68%降低到0.64%。熱處理對脂肪影響不大。隨著乳清的pH值的升高，乳清的膜通量變化比較接近沒有顯著的差異。超濾過程中，隨著截留液中固形物含量的增加，膜通量不斷減小，截留液中蛋白質濃度也在不斷增加，蛋白質濃度從0.87%增加到2.10%～3.00%，膜通量降低了3.12 倍。

乳清處理；加工參數；膜通量

1 前言

乳清是生產奶酪的副產品，生產1 t奶酪產生9 t的乳清。乳清中含有珍貴的乳清蛋白，直接排放進行污水處理，不僅造成資源浪費、成本增加，而且造成嚴重的環境污染。國外非常重視乳清的綜合開發與利用。國家《乳制品工業產業政策》也明確提出了對干酪加工技術和乳清綜合利用技術的支持，因此乳清的加工利用成為需要盡快解決的一個迫切問題。膜分離技術具有能耗低、分離過程中物質不發生相變、分離效果好、操作簡便、無副作用、無二次污染、分離產物易于回收等優點，已被廣泛應用于工業生產中的產品分離、純化等[1，2]。從工業企業排放的廢水中回收有價值的物質，并使廢水達到排放標準或回收用于生產工序之中，已成為工業廢水處理中最易被企業接受的處理方法。乳清蛋白粉可作為嬰兒配方乳粉或其它食品的配料，市場前景看好。將膜分離技術應用于乳清廢水的處理，為充分開發利用乳清資源提供了一種行之有效的方法。牛奶加工處理過程對乳清的理化性質的影響，直接影響乳清的提取和利用的研究，還未見詳細的報道，因此需要深入研究。通過該研究，探求適宜的牛奶處理方法，來滿足對乳清蛋白利用技術的需求[3]。

2 研究方法與材料

2.1 試驗材料

超濾膜（截留分子量為6 000道爾頓，KOCH提供）為聚砜中空纖維膜組件，外殼為ABS 材質。膜組件內膜絲數750 根，單個膜絲長度1 016 mm，纖維膜內徑113 mm，纖維膜外徑119 mm，膜面積418 m2。乳酸、甘油等試劑為實驗室常用分析純試劑。

2.2 主要儀器

本試驗采用的主要儀器見表1。

2.3 試驗方法

2.3.1 蛋白質含量的測定

試劑甲：（A）10 g碳酸鈉、2 g氫氧化鈉和0.25 g酒石酸鉀鈉溶解于500 mL蒸餾水中；（B）稱0.5 g硫酸銅（CuSO4·5H2O）溶解于100 mL蒸餾水中，每次用前按（A）：（B）=50：1混合。試劑乙：Folin-酚試劑。

標準蛋白溶液：取結晶牛血清白蛋白2.5 mg溶于10 mL蒸餾水中，即成250 μg/mL。配制不同濃度的蛋白溶液，濃度分別為0、50、250 μg/mL。取1 mL蛋白質溶液，加入試劑甲5 mL，混合10 min后，加入試劑乙0.50 mL，水0.98 mL，迅速混勻，放置在25～40 ℃下顯色40 min后，650 nm比色。以蛋白質含量為橫坐標，光密度值（OD值）為縱坐標制作出標準曲線。

20 μL的發酵液加入試劑甲5 mL，試劑乙0.50 mL，水0.98 mL，迅速混勻后，放置在25～40 ℃下顯色40 min后，650 nm比色，測得樣品的光密度值（OD值）。代入蛋白質含量標準曲線，計算蛋白質含量。標準曲線的制作方法與蛋白質的測定方法相同，將樣品替換成牛血清白蛋白標準溶液來建立標準曲線[4，5]。

2.3.2 脂肪的測定

哥特里-羅紫法[4]。

2.3.3 pH值的測定

取20 mL樣品放置在50 mL玻璃燒杯中，水浴調整樣品的溫度為20 ℃，把數字pH計的探頭放入測定樣品液體中，待儀表盤數值穩定后記錄pH值[5～6]。

2.3.4 膜通量的測定方法

乳清液體在攪拌的過程中，經200 目濾網過濾，清液由離心泵高速泵入超濾系統，采用全回流操作

方式。超濾時調節溶液的進口操作壓力，收集透過液體，每收集2 L透過液體記錄時間，以秒計。以時間的倒數作為膜通量的比較數值，單位為1/S[5，7]。

表1 主要儀器

2.3.5 數據分析與處理

采用SPSS 11.0統計分析軟件中的多重比較和EXCEL2003的單、雙因素方差分析對數據進行處理和計算。

3 結果與分析

3.1 不同發酵pH值對乳清成分的影響

取50 kg乳清，分別在乳清的不同發酵時間段取樣，調整乳清的pH值分別達到5.7、6.0、6.5，采用60 ℃、5 min處理后，使用200 目過濾布對乳清過濾，分別測定乳清中的蛋白質和脂肪含量。采用超濾膜（分子截流6 000 道爾頓），入口壓力采用0.1 MPa，流速控制在720 L/h，測定膜通量。

從圖1可以看出，隨著pH值由6.5下降到5.7，乳清中脂肪含量從0.50%逐漸下降到0.26%，然后隨著pH值的繼續降低，脂肪含量穩定在0.30%左右。乳清的灰分含量變化趨勢與脂肪含量相反，隨著pH值由6.5降低到5.3，乳清中灰分含量在0.48%和0.52%之間波動，當pH值逐漸達到4.6后，灰分含量逐漸升高到0.64%。表2方差分析結果顯示，乳清中脂肪和灰分含量受pH值的影響是有統計意義的，且差異顯著。表3、4結果顯示，pH值在5.7～4.6之間時乳清中的脂肪含量差異不顯著，而在pH值為6.5、6.1時差異顯著，此時脂肪含量穩定在0.30%左右。乳清的灰分含量在pH值為5.3～6.5之間差異不顯著，而當pH值為4.6、4.9時，灰分含量逐漸升高到0.64%，且與pH值為5.3到6.5之間的乳清灰分含量相比是有顯著性差異的。

圖1 pH值對乳清中脂肪和蛋白質含量的影響

表2 pH值對乳清中脂肪和灰分含量影響的方差分析（ANOVA）

表3 pH值對乳清中灰分影響的多重比較（Multiple Comparisons）

續表3 pH值對乳清中灰分影響的多重比較（Multiple Comparisons）

表4 pH值對乳清中脂肪含量影響的多重比較（Multiple Comparisons）

續表4 pH值對乳清中脂肪含量影響的多重比較（Multiple Comparisons）

3.2 不同熱處理溫度對乳清中蛋白質和脂肪含量的影響

分別取50 kg乳清，采用50、55、60、72 ℃殺菌處理乳清5 min后，使用200 目過濾布對乳清過濾，檢測可溶蛋白成分和脂肪含量的變化。采用超濾膜（分子截流6 000道爾頓），壓力采用0.1 MPa，測定膜通量。

圖2表明，隨著熱處理溫度的升高，乳清蛋白含量逐漸從0.68%降低到0.64%，總體減少的絕對數量不大。由方差分析（表5）和多重比較分析（表6）結果可見，50℃和55 ℃熱處理后乳清蛋白的含量為0.68%左右，沒有顯著差異，而60、72 ℃殺菌處理乳清5 min后，乳清中的蛋白質含量下降，且變化趨勢有顯著差異。對于脂肪來講，50、55、60℃處理脂肪變化不大，而當熱處理溫度達到72 ℃時，發現部分脂肪丟失，這與蛋白質的減少是相關的，隨著熱處理強度的增加，乳清蛋白發生變性，部分脂肪同變性的乳清蛋白質混合吸附在一起沉淀，導致脂肪的缺失。

圖2 熱處理溫度對乳清中蛋白質和脂肪含量的影響

表5 熱處理溫度對乳清中蛋白和脂肪含量影響的方差分析（ANOVA）

表6 熱處理溫度對乳清中脂肪和蛋白含量影響的多重比較（Multiple Comparisons）

3.3 不同操作參數對乳清過濾截流效果研究

3.3.1 不同溫度對乳清通透性的影響

50 kg乳清經粗過濾后，選擇15、20、25、30 ℃作為試驗溫度，記錄乳清超濾過程中收集1 L乳清透過液所需要的時間，采用時間的倒數作為膜通量，單位是1/ s。試驗結果表明（圖3），隨著環境溫度的升高，乳清的膜通量逐漸升高。溫度從12 ℃升高到30 ℃，膜通量升高了1.55 倍（圖4）。方差分析結果表明，在不同溫度條件下膜過濾的膜通量平均值有顯著差

異（表7）。不同操作溫度對超濾膜膜通量的影響多重比較表明，在15、20、25、30 ℃之間變化時，膜通量的變化是有效的（表8）。

圖3 不同溫度對超濾膜膜通量的影響

圖4 不同溫度對超濾膜膜通量的影響

3.3.2 不同pH值對膜通量的影響

試驗結果表明（圖5），隨著乳清pH值的升高，乳清的膜通量變化比較接近，且沒有顯著差異。方差分析結果表明，在不同pH值條件下膜過濾的膜通量平均值沒有顯著差異（表9）。由圖6可見，隨著超濾的進行，不同pH值條件之間膜通量沒有太大的變化，乳清溶液透過液的分離速度隨著溶液中蛋白質濃度的增加而緩慢下降。

3.3.3 濃縮倍數對膜通量的影響

選擇1、2、3 倍預先濃縮的乳清來測量膜通量的變化情況

（圖7），濃縮倍數的提高通常會造成乳蛋白在膜表面的沉積，引起膜通量的快速降低，不利于乳清的處理。當乳清濃度升高2 倍的時候，膜通量下降了40%；當乳清濃度升高達到3 倍時，膜通量下降了68%。超濾過程中，隨著截留液中固形物含量的增加，膜通量不斷減小，同時由于濃縮效應截留液中蛋白質濃度也在不斷增加。截留液中的蛋白質濃度從0.87%增加到2.1%～3.0%，膜通量降低了3.12倍。在超濾過程中蛋白質溶液的黏度會顯著增加，Sayed[8]等測試超濾大豆粕水提物時，固形物含量從4%增加到16%時，溶液的黏度增加了將近29 倍。所以隨著溶液黏度的增加，傳質系數和物料在膜面的流速都會減小，物料流速減小又會導致湍流程度的減小，增加傳質阻力，最終使得膜污染加劇，膜通量急劇降低。

表8 不同操作溫度對超濾膜膜通量影響的多重比較（Multiple Comparisons）

圖5 不同pH 值對膜通量平均值的影響

圖6 不同pH 值對膜通量的影響

表9 不同pH 值對膜通量平均值影響的方差分析ANOVA

3.3.4 進料壓力對膜通量的影響

圖7 乳清起始濃度對膜通量的影響

圖8 乳清進料壓力對膜通量的影響

隨著進料的壓力升高（圖8），膜通量逐漸升高。當乳清進料表壓力分別為0.05、0.10、0.15 MPa時，膜通量分別升高11.0%、

20.0%、30.4%。考慮到過高的操作壓力會降低膜面液體的流速，膜面的蛋白質層堆積的比較致密，流速慢導致膜的污染速度增快，不利于系統的長時間穩定工作，這從隨后的清洗時間延長也得以證明，所以一般處理壓力不會超過0.10 MPa。

4 結論

4.1 不同發酵工藝和時間導致乳清有不同的pH值，不同的pH值對乳清中成分變化是有影響的。隨著pH值降低到5.7，脂肪含量從0.50%逐漸下降到0.26%，隨著pH值的繼續降低，脂肪含量穩定在0.30%左右。隨著pH值降低到5.3，灰分含量在0.48%和0.52%之間波動，當pH值逐漸達到4.9后，灰分逐漸升高到0.64%。

4.2 采用50、55、60、72 ℃殺菌處理乳清5 min，隨著熱處理溫度的升高，乳清蛋白的含量逐漸從0.68%降低到0.64%，總體減少的絕對數量不大。對脂肪來講，在50、55、60 ℃處理時脂肪含量變化不大，而當熱處理溫度達到72 ℃時，發現部分脂肪丟失，這與蛋白質的減少是相關的。隨著熱處理強度的增加，乳清蛋白質發生變性，部分脂肪同變性的乳清蛋白混合在一起沉淀，導致脂肪的缺失。

4.3 隨著環境溫度的升高，乳清的膜通量逐漸升高。從12 ℃升高到30 ℃，膜通量升高了1.55 倍。

4.4 隨著乳清的pH值的升高，乳清的膜通量變化比較接近，沒有顯著的差異。乳清濃縮倍數的提高，通常會造成乳蛋白在膜表面的沉積，引起膜通量的快速降低，不利于乳清的處理。當乳清濃度升高2 倍時，膜通量下降了40%；當乳清濃度升高達到3 倍時，膜通量下降了67%。超濾過程中，隨著截留液中固形物含量的增加，膜通量不斷減小，截留液中蛋白質濃度也在不斷增加，蛋白質濃度從0.87%增加到2.1%～3.0 %，膜通量減小了3.12 倍。

4.5 隨著進料壓力升高，膜通量逐漸升高。以表壓為0作為標準，當乳清進料表壓力分別為0.05、0.10、0.15 MPa時，膜通量分別升高11.0%、20.0%、30.4%。

[1] Barba D，Beolchini F，Veglio F. Minimizing water use in diafiltration of whey protein concentrates. Separation Science & Technology，2007，35（7）：951-965.

[2] 陳婷，余群力，趙莉，等. 超濾膜分離技術回收乳清蛋白工藝研究. 食品工業科技，2010（4）： 226-228.

[3] 張列兵，呂加平. 新版乳制品配方. 北京：中國輕工業出版社，2003.

[4] 中華人民共和國國家標準乳與乳制品衛生標準的分析方法. 中國乳業，2005（5）：12-17.

[5] 陳曾燮. 生物化學實驗. 安徽：中國科學技術大學出版社，1994.

[6] 汪家政，范明. 蛋白質技術手冊. 北京：科學出版社，2000

[7] 王湛. 膜分離技術基礎. 北京：化學工業出版社，2000.

[8] Sayed R S K，Harris J L，Sherkat F. Fouling and cleaning of membranes in the ultrafiltration of the aqueous extract of soy flour. Journal of Membrane Science，1996，114（1/ 2）：93-104.

海關助力3 805 頭澳大利亞奶牛順利抵達山東淄博

【本刊輯】日前，山東得益乳業股份有限公司迎來了一批“特殊海外客人”——來自澳大利亞的3 805 頭純種荷斯坦青年母牛順利抵達淄博。

因活畜長時間滯留港口存在滋生疾病和食料供應不足等風險，淄博海關接到企業申請后，當天即為這批“特殊客人”辦理了減免稅擔保手續。企業憑擔保證明到港口順利辦結通關手續，保證了活畜通關安全、通暢。此次是近年來淄博海關辦理的首筆種用奶牛減免稅審批業務，也是淄博市近年來單次引進種牛數量最多的一次。

Effects of Different Treatment Parameters on the Physical and Chemical Properties of Whey and the Flux of Ultrafiltration Membrane

TENG Guo-xin1，YU Rui-hong2
（1 Beijing City University；2 Xinjiang Rui Yuan Dairy Co.，Ltd.）

Whey is a by-product of cheese production，the production of 1 ton of cheese can produce 9 tons whey. Whey contains precious whey protein，the direct discharge of sewage treatment，not only caused waste of resources，increased costs，but also caused the environmental pollution seriously. The processing and utilization of whey has become an urgent problem to be solved as soon as possible. The effect of milk processing parameters on the physicochemical properties of whey has not been studied in detail. Through this research，we explored the appropriate methods of whey treatment to meet the domestic demand for whey protein. The research found that different fermentation process and time led to different pH values of whey，the changes in the composition of whey were affected by different pH values. With the increase of heat treatment temperature，the content of whey protein decreased from 0.68% to 0.64%. Heat treatment had little effect on fat. With the increase of whey pH，the membrane flux change of whey was close to no significant difference. In the ultrafiltration processing，with entrapped liquid solid content increased，membrane flux decreases，the interception liquid protein concentration also increased，protein concentration from 0.87% increased to 2.10%～3.00%，membrane flux decreased 3.12 times.

whey treatment；processing parameters；membrane flux

2015年北京市民辦教育發展促進項目---北京城市學院市級校外基地與實驗教學示范中心建設項目】

滕國新（1972-），男，博士，教授，從事嬰兒配方奶粉、酸奶、奶酪的研發工作。

2016-06-24）