膜技術在乳品加工行業中的研究進展

宋 博，張雨萌，逄曉陽，張書文，呂加平

（中國農業科學院農產品加工研究所，北京 100193）

牛乳中存在許多可工業化生產的有價值成分，如脂類、蛋白質、礦物質和維生素，可以通過對牛乳或牛乳副產品進行各種分離處理獲得。其中以膜為基礎的分離手段已被證明在回收這些產品方面快捷、有效。本文簡要介紹膜技術，綜述目前膜技術在乳品加工業的應用研究進展。

1 膜技術介紹

乳制品中的主要營養成分，如乳蛋白、乳脂肪、乳糖等具有不同的營養特性和功能特性，在乳化、增稠、提高穩定性、改善口感和營養強化等方面都有較多應用，因此常作為功能性配料廣泛應用于乳制品、烘焙食品、肉制品、醫藥、化妝品、日用化工等行業，但這些特性會受到生產過程的強烈影響[1]。在所有乳制品配料生產加工過程中，分離過程非常重要。與蒸餾、離心、酸沉、色譜等分離技術相比，膜分離技術具有操作溫度低、節能、無污染和易于操作控制等特點，是目前實現物料分離的重要手段之一。

膜分離技術最早應用于化工、污水處理等領域，在基礎理論和實踐方面都為乳制品加工提供了寶貴經驗，其在乳品行業也有幾十年的應用歷史，最早的應用可追溯到1969年研究者利用超濾工藝制作軟質干酪[2]。但是從液態乳中分離各種成分仍具有諸多挑戰，因為液態乳的固形物含量高且成分復雜，增加了分離過程的復雜性。近些年來，隨著膜材料和膜元件配置的不斷發展，幾乎所有類型的膜，包括陶瓷膜、不銹鋼膜、有機膜都已成功應用于乳制品行業。依據膜分離過程中推動力的不同，膜分離技術大體可分為2 類：一類是以壓力為推動力的膜分離過程，包括微濾、超濾、納濾和反滲透；另一類是以電力為推動力的膜分離過程，所用的是一種特殊的半透膜，稱為離子交換膜[3]。這幾種膜的分離范圍如圖1所示。

圖1 不同類型膜的分離范圍[1,3]Fig. 1 Separation ranges of different types of membranes[1,3]

2 膜技術在乳品工業中的應用

2.1 膜技術在酪蛋白和乳清蛋白分離中的應用

酪蛋白和乳清蛋白的分離是基于二者分子質量大小差異。在牛乳中酪蛋白以膠束形式存在，粒徑分布為80～400 nm，平均粒徑多為100～200 nm，而乳清蛋白作為乳中的可溶性蛋白，粒徑一般在10 nm以下，粒徑的巨大差異使得膜分離成為可能[4]。微濾是一種壓力驅動的分離過程，類似于超濾、納濾和反滲透等其他廣泛使用的膜過程，與這些工藝相比，微濾通常在相對較低的壓力下操作，主要用于較大顆粒的分離[5]。膜過濾的示意圖如圖2所示。根據微濾膜制作材料的不同，可以分為無機膜和有機膜，無機膜主要分為陶瓷膜和不銹鋼膜；有機膜材料可以是疏水性的，包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚丙烯，或者是親水性的，包括聚碳酸酯和聚醚砜。許多文獻都報道了利用膜技術分離酪蛋白和乳清蛋白，但使用的膜孔徑差異很大，多為20～200 nm[6-7]。這種孔徑的差異主要是由膜材料和不同廠家膜制作工藝不同造成的。

圖2 膜過濾示意圖Fig. 2 Schematic diagram of membrane filtration

從膜在乳品加工業的應用情況來看，陶瓷膜應用最為廣泛，與其他材料制成的膜相比，陶瓷膜具有較高的機械強度并且較耐酸堿和高溫，在生產和清洗方面具有一定優勢。因此，絕大多數歐洲乳品廠商認為只有陶瓷膜能較好滿足生產要求。其中100 nm和200 nm的陶瓷膜多用于酪蛋白和乳清蛋白的分離，過濾工藝多采用2～5 段式的間歇錯流過濾（圖3），過濾溫度控制在50～55 ℃，濃縮倍數一般為2～4 倍，乳清蛋白的脫除率為60%～80%，滲透液幾乎不含或含有少量酪蛋白[8-11]。另一種膜分離工藝是冷濾工藝，由O’Mahony等[12]提出并申請了相關專利。與熱濾工藝相比，冷濾過程物料的溫度一般控制在10 ℃以下。在低溫條件下，酪蛋白膠束因疏水相互作用減弱會發生一定程度的解離，部分酪蛋白會釋放進乳清相中，其中以β-酪蛋白為主，含有β-酪蛋白的乳清滲透液經脫鹽濃縮等工藝制得的乳清粉可用于嬰幼兒配方粉的生產基料。但冷濾過程溫度較低，液體黏度較高，蛋白傳質速率較慢，這導致冷濾條件下的膜通量只有不到熱濾過程的1/3，而整體能耗卻是熱濾的1.5 倍以上，同時只有不到20%的β-酪蛋白進入到滲透液中，因此目前的冷濾工藝并不適宜工業化生產[13-16]。近些年來，許多研究人員嘗試使用酸化劑或鈣離子螯合劑增加酪蛋白膠束的解離程度，但實驗結果表明，隨著膠束蛋白解離程度的增加，膜通量會進一步下降[17-20]。

圖3 2 段式酪蛋白和乳清蛋白分離示意圖Fig. 3 Schematic diagram of two-stage separation of casein and whey protein

2.2 膜技術在乳清蛋白分離中的應用

乳清蛋白分離也是基于不同乳清蛋白分子質量大小差異，其中α-乳白蛋白（α-lactalbumin，α-La）和β-乳球蛋白（β-lactoglobulin，β-Lg）的分子質量分別約為14.4、18.4 kDa，β-Lg在天然動物乳和熱加工過程中以單體和二聚體混合物的形式存在，因此可以使用30～50 kDa超濾膜對二者進行分離[21]。Cheang等[22]使用30 kDa的超濾膜和恒定體積的滲濾來產生富含α-La的滲透物部分和富含β-Lg的截留物部分。Mets?muuronen等[23]使用30 kDa膜從稀釋的乳清中分離α-La，可以從乳清中獲得純度高達88%的α-La。但由于使用的超濾膜孔徑較小，在實驗過程中存在蛋白遷移速率低、分離純度不高及滲析過程大量用水等問題。因此，在后續的研究過程中常使用帶電荷的超濾膜。帶電荷的超濾膜根據靜電排斥原理工作，其中攜帶與膜電荷相同電荷的蛋白質因靜電作用而被膜孔排斥，而攜帶零凈電荷或相反電荷的蛋白質則能透過膜，進而實現2 種蛋白的分離。由于α-La和β-Lg的等電點分別約為4.4和5.2，在pH 6.7左右時均帶負電荷，因此在膜過濾前需要添加酸化劑，調整體系的pH值在二者等電點之間，此時2 種蛋白將會帶有不同電荷，同時由于蛋白和膜孔的靜電排斥作用，在選擇膜孔徑時可以選擇更大孔徑的超濾膜。Arunkumar等[24]比較300 kDa帶正電荷超濾膜和不帶電荷30 kDa超濾膜的分離效果，結果發現，與不帶電荷超濾膜相比，帶正電荷超濾膜對α-La的選擇透過性提高4.9 倍，且在沒有滲析補水操作下，滲透液蛋白中α-La含量可高達87%。

2.3 膜技術在牛乳濃縮中的應用

牛乳濃縮最為常見的應用是乳蛋白濃縮物（milk protein concentrate，MPC）的生產，MPC是將脫脂牛乳脫除乳糖后濃縮、進行噴霧干燥得到的高蛋白粉，濃縮過程主要分為蒸發濃縮和膜過濾濃縮2 種。目前已商業化生產的MPC蛋白質含量為42%～85%，典型的有MPC42、MPC70、MPC75、MPC80和MPC85[24]。但是這類濃縮只針對乳蛋白進行濃縮，乳糖和鹽類等小分子物質不被截留。

Cao Jialu等[25]評估傳統蒸發和納濾濃縮對MPC理化性質的影響，發現2 種方式制得的MPC化學組成和微觀結構沒有明顯差異，但經納濾濃縮技術制得的MPC表面疏水性和游離巰基含量顯著低于傳統蒸發操作制得的MPC，貯藏24 周后納濾濃縮MPC的溶解度仍比蒸發濃縮MPC大，因此認為納濾可能是制造溶解度增強的MPC的潛在手段。Wang Hong等[26]研究不同濃縮方法（納濾和蒸發）和熱處理對濃縮乳蛋白凝膠特性的影響，發現在未預熱操作下，蒸發濃縮得到的濃縮乳蛋白比納濾濃縮得到的濃縮乳蛋白具有更高的彈性模量、硬度、更低的損耗角正切值和乳清分離度，因此有更好的凝膠特性。

全乳濃縮產物稱為濃縮乳，在乳制品行業中，濃縮乳具有多種用途，例如，作為噴霧干燥之前的中間產品或作為其他產品配方中的成分[27]。液態乳整體的濃縮可以通過多種方法來完成。其中最為常用的是蒸發和反滲透，這些技術旨在通過去除水分來增加總固形物含量。牛乳的蒸發和干燥被認為是乳品加工行業最耗能的操作，而通過膜過濾進行濃縮所需的能量低得多[28]。反滲透可以在比蒸發更低的溫度條件下進行，因此可以認為是非熱濃縮過程，它限制了熱誘導的乳清蛋白變性，除此之外，液態乳和乳清進行反滲透濃縮后體積變小，有利于運輸和貯藏。呂建國等[29]采用管式反滲透膜濃縮牛乳工藝，并將其與傳統蒸發濃縮工藝進行比較，結果顯示，管式反滲透膜對有效成分的截留率接近100%，且牛乳原始風味并未改變，經成本核算，每去除1 t水的運行成本約為14.8 元（其中含設備折舊），顯著低于使用傳統蒸發濃縮工藝的除水成本（36 元/t）。

反滲透濃縮乳可經噴霧干燥成粉，或以濃縮乳制品的形式進行銷售。S?rensen等[30]研究反滲透濃縮乳噴霧干燥后粉末的貯藏穩定性，發現非濃縮牛乳制備的乳粉中糠氨酸含量高于預濃縮牛乳制備的乳粉，但在貯藏過程中沒有發現顏色變化，因此認為濃縮乳粉不會影響乳粉質量。

除了應用反滲透膜對乳蛋白進行濃縮外，帶負電荷的納濾膜也可用于牛乳蛋白的濃縮，乳蛋白在pH 6.7下均帶負電荷，當使用負電荷膜進行過濾時，乳蛋白與膜孔表面發生靜電排斥，從而保留在截留液中。Arunkumar等[31]使用100 kDa帶電荷超濾膜和10 kDa超濾膜對干酪乳清進行分離，發現2 種膜的蛋白質回收率沒有顯著差異，但帶電荷超濾膜通量提高近2 倍，同時非蛋白滲透物的含量顯著高于不帶電荷超濾膜。

2.4 膜技術在乳清脫鹽及綜合利用方面的應用

乳清是干酪加工后的副產物，含有乳清蛋白、礦物質和維生素等生理活性物質，生物需氧量達45 000 mg/L， 直接排放會造成環境污染。乳清常用來生產乳清粉，可應用到嬰幼兒配方食品中。對于嬰幼兒來說，鹽含量高的乳清粉會增加腎臟負擔，因此必須進行脫鹽處理，使其接近母乳[32]。納濾和電滲析是乳清脫鹽的常用手段。

納濾是介于超濾和反滲透之間的膜過濾操作，因此，它能截留乳糖等分子質量大于200 Da的物質，但卻無法截留分子質量較小的分子和離子，如鈉離子和氯離子，對于2 價和3 價鹽離子，如鈣離子、鎂離子和磷酸鹽等，則可以部分被截留。電滲析是一種通過離子交換膜將離子從一種溶液分離到另一種溶液并實現溶液脫鹽和濃縮的過程，對所有離子均有較好的截留效果。使用納濾膜脫鹽，由于其膜孔徑較為致密，因此較易產生濃差極化現象，導致通量下降，且納濾對鹽類的脫除率較低，一般不超過40%；使用電滲析雖然最高可以達到90%的脫鹽率，但運行成本和膜成本都相對較高[33-34]。因此，在工藝上常采用納濾和電滲析相結合的方式。Lemay等[35]應用脈沖電場電滲析技術，研究脈沖頻率對干酪制作副產物乳清脫鹽效果的影響，發現脈沖頻率對脫鹽效果不會產生顯著影響，但高頻率下系統能量消耗較低，體系酸堿度變化較小。Merkel等[36]使用納濾和電滲析組合工藝對乳清進行脫鹽處理，發現經納濾處理后，酸性乳清中乳酸含量降低35%，而經納濾和電滲析組合處理后，乳酸含量降低88%；在鹽類脫除率方面，經納濾后，2 種類型乳清的礦物質含量均降低27%～28%，隨后的電滲析可將甜乳清的鹽類脫除率提高到88%，將酸性乳清的鹽類脫除率提高到91%。

2.5 膜技術在工廠廢水及廢酸堿液凈化回收方面的應用

與市政污水相比，乳制品加工過程產生的廢水具有更高的固形物含量，其中脂肪、糖類和鹽類的含量顯著高于市政污水，在沒有經過任何形式預處理的情況下，其可溶性有機物含量占總負荷的百分比近乎是城市污水的2 倍。由于消化這些有機物需要較長的動力學過程，這會給農村或偏遠地區的小型污水處理廠帶來較大壓力。目前，膜技術在廢水處理中的主要應用是膜生物反應器，旨在除去可溶性的有機化合物。

膜生物反應器是傳統生物過程與膜過濾技術的結合。與傳統的活性污泥處理法相比，膜生物反應器利用膜（通常是超濾）來實現分離，能產生更高固形物含量的流出物，這使得反應器中的生物質濃度更高，能處理更高固形物含量的廢水，并減少處理廠的占地面積?？扇苄怨腆w被膜有效截留意味著有機化合物有更多被降解的機會，并且傳統活性污泥法中不易去除的生物降解性較差的有機物也可以在膜生物反應器中去除。Rahimi等[37]通過對水力停留時間（hydraulic retention time，HRT）和總固形物含量2 個運行參數的13 組優化實驗得出，在進水化學需氧量和總氮含量（total nitrogen，TN）平均值分別為2 131、273 mg/L的初始條件下，當HRT為24 h、總固形物含量為6 000 mg/L時TN的去除率最大，為55.2%。工廠廢水中鹽類的脫除則需要應用納濾和反滲透技術，在乳清脫鹽部分已經闡述。在水的回收方面，反滲透是目前最有效的手段之一，反滲透水可用作蛋白分離過程中的稀釋劑或清洗階段的載體溶劑。Bri?o等[38]認為，利用反滲透從沖洗水中回收牛乳固體是一種有效的環境和經濟策略，該過程可產生用作熱交換器的冷卻水，或用作發酵乳飲料的乳基料流；預計每天處理1 000 m3沖洗水的乳制品加工廠，每年的潛在利潤可以達到349 000 美元。但應用反滲透技術時，需要考慮投入成本與產出，Chamberland等[39]認為，在干酪加工業應用反滲透濃縮牛乳帶來的成本高于蒸發操作。

2.6 膜技術在乳標準化中的應用

牛乳中的蛋白質含量會受到泌乳期、品種、季節、氣候等因素的影響，為解決這一問題，脫脂乳的蛋白質含量通常在加工過程中進行標準化，以獲得更一致的組成和營養特性。根據標準化的目標，超濾過程可用于濃縮蛋白質，以達到規定的牛乳蛋白質含量，或通過添加超濾滲透液以降低牛乳蛋白質含量。乳品的標準化常應用在干酪和酸乳制造工業中，一般使用0.10 μm孔徑的超濾膜對酪蛋白進行富集。蛋白標準化的好處主要有以下幾點：一是可以減少食品生產商對設備操作參數調整的需求，提高生產效率；二是提高產品穩定性，產品營養成分不易受季節、泌乳期等因素的影響；三是減少由乳清蛋白引起的風味和質地缺陷，也減少熱處理對凝乳酶誘導牛乳凝固性的不利影響；四是可以改善某些乳制品的物理性質，并可能增加其營養價值，如濃縮酸乳等。Tsermoula等[40]研究使用微濾去除乳清蛋白對切達干酪產量、功能和營養特性的影響，結果表明，微濾干酪的苦味強度略低于對照組干酪，并且在成熟過程中所有干酪的苦味強度均增加，而營養物質和維生素等含量并沒有顯著差異，因此認為微濾去除牛乳中的乳清蛋白不會顯著影響干酪成熟過程中的蛋白水解和營養特性。乳品標準化常用于濃縮乳制品和干燥乳制品的生產，即便已有研究表明，與超濾滲透液混合至蛋白含量2.6～3.2 g/100 g后獲得的超高溫牛乳在感官上無顯著變化[41]。但對將滲透液加入原料乳中（即稀釋）以生產飲用巴氏乳和超高溫滅菌乳的標準化過程，歐盟等國家明令禁止。

2.7 膜技術在微濾除菌中的應用

在牛乳加工過程中，常采用不同時間和溫度的組合（巴氏殺菌、超高溫或高壓滅菌）進行熱處理，以獲得所需的殺菌效果。這些處理已在工業規模上大量應用，以確保乳制品安全，但熱殺菌會導致乳制品成分發生不可逆的改變，從而影響乳制品的風味、功能和營養特性。此外，熱殺菌過程中裂解的細胞保留在被加熱的牛乳中，裂解后釋放活性酶，這將導致牛乳貯藏和加工過程中發生品質變化。除熱處理法外，離心法雖可用于去除巴氏殺菌牛乳中的細菌和孢子，但存在對細菌的脫除程度低、蛋白質損失率高等問題，因此并不是有效的手段。在這種情況下，微濾提供了一個替代方案。

微濾除菌過程中使用的膜孔徑多為0.8～1.4 μm，與脂肪分離所用的孔徑相近。微濾除菌可以作為輔助殺菌手段，用于降低熱殺菌強度。如孔凡丕[42]采用孔徑為1.4 μm的陶瓷微濾膜對原料乳進行微濾處理，并利用微濾乳制備超高溫滅菌乳及低熱乳粉，結果表明，微濾超高溫滅菌乳的pH值、滴定酸度、上層脂肪球粒徑等品質指標均優于非微濾超高溫滅菌乳，貨架期也相應延長21～63 d。微濾也可與其他殺菌手段結合來替代熱殺菌，如Zhang Wenjian等[43]采用微濾和紫外聯用的方式對脫脂乳進行處理，并與傳統的巴氏滅菌方式進行對比，發現經微濾和紫外殺菌后脫脂乳的貨架期延長20～40 d，乳鐵蛋白、免疫球蛋白等活性蛋白在貯藏期間含量基本保持不變。

除了在工藝上進行創新外，膜材料也尤為重要，目前的研究主要聚焦于提高膜材料對細菌的選擇吸附性。如Bao Jianxu等[44]制備了一種納米纖維膜，用于去除水中染料和細菌，結果表明，靜態吸附6 min后，金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的去除率分別達到93.0%和90.0%，動態吸附90 s后，金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的去除率可分別達到99.7%和98.7%。

3 結 語

膜技術在提高產品質量、增加產品附加值和開發新產品等領域有著廣闊的應用前景，特別是最近20 年來，隨著有關膜材料和膜元件配置的不斷發展，各種類型的膜層出不窮，在不同應用領域發揮了越來越多的作用。我國乳品行業膜技術應用仍處于起步階段，存在應用較為單一、膜種類較少、缺少乳品專用膜制造企業等問題。但隨著生活水平的提高，消費者對于高質量產品的需求也越來越強烈，這將為乳品行業提供良好的契機，也為膜技術提供了廣闊的應用空間。