牛乳陶瓷膜错流微滤工艺的研究

孔凡丕刘 鹭赵慧芳吕加平

（1.中国农业科学院农产品加工研究所，北京 100193；2.北京市奶牛中心，北京 100085）

牛乳陶瓷膜错流微滤工艺的研究

孔凡丕1刘 鹭1赵慧芳2吕加平1

（1.中国农业科学院农产品加工研究所，北京 100193；2.北京市奶牛中心，北京 100085）

利用孔径为1.4μm的纤维管状陶瓷膜对脱脂乳进行微滤除菌试验，研究错流速率及过膜压力对脱脂乳的渗透速率及蛋白质截留率的影响。结果表明：在一定的错流速率下，存在一定范围的过膜压力（TMP），使得渗透速率保持稳定，随着错流速率的增加，最佳TMP范围的上限增加。在2.75m/s的错流速率下，合适的 TMP为50～77.5kPa，此时乳中的营养成分几乎没有截留。同时，陶瓷膜对细菌和芽孢的截留效果较好，分别降低了3.471和2.079个数量级。

陶瓷膜；微滤；除菌；错流速率；过膜压力

原料乳中的微生物对于乳及乳制品的品质具有重要的影响，比如限制巴氏杀菌乳货架期的主要因素是细菌过度繁殖导致的腐败变质［1］。对于UHT乳而言，虽然没有细菌繁殖导致的产品问题，但是原料乳中的体细胞及嗜冷菌所产生的耐热蛋白酶和脂肪酶在超高温杀菌中仍有残留，从而在货架期内对产品造成影响。因此，乳中微生物及体细胞的数量对乳制品的品质具有显著的影响［2］。常用的牛乳除菌方法有巴氏杀菌和超高温（UHT）处理，另外还有超声波杀菌、离心静乳以及微滤除菌等方法［3－5］。

自从20世纪90年代陶瓷膜技术发展以来，国外关于错流微滤除菌的技术便得到了较大的发展。在许多国家，将巴氏杀菌和微滤除菌相结合生产巴氏杀菌过的牛奶已实现工业化生产，其除菌率可达99.8%～99.9%［6］。Giffel等［7］研究发现，微滤作用可以减少细菌总数的99.3%～99.99%，其中需氧孢子脱除率达99.1%～99.99%，厌氧孢子脱除率达99.1%～99.9%，而离心除菌仅能除掉细菌总数的86.0%～92.0%，需氧孢子脱除率达94.1%～97.7%，厌氧孢子脱除率达97.4%～98.7%。中国对于牛乳微滤工艺的研究的也已经展开，且取得了良好的效果［8－10］，证实了陶瓷膜微滤的除菌效果。

本试验主要研究牛乳微滤操作工艺参数，微滤对蛋白质和菌体的截留特性，总结了过膜压力 （TMP）与错流速率（V）的相互关系，并得到在不同错流速率下陶瓷膜微滤的最佳TMP范围，为微滤除菌的进一步工业化应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

营养琼脂培养基：北京路桥技术有限公司；

氢氧化钠、硝酸：国产分析纯；

新鲜牛乳：取自中国农业科学院畜牧研究所，预热至50℃ 后离心脱脂制备脱脂乳。

1.2 仪器与设备

陶瓷膜微滤中试设备：HFC－800，凯能高科技工程（上海）有限公司；该设备由一个中空纤维管状陶瓷膜、一个管式换热器、一个流速调节泵（图1）组成。膜组件由300根中空纤维状陶瓷管组成，其外径为4mm，内径为3mm，总长为34cm，平均孔径为1.4μm，膜总面积为0.8m2；

体细胞快速测定仪：Fossomatic 5000，丹麦福斯；

乳成分体细胞快速测定仪：Milkoscan 4000，丹麦福斯；

乳脂分离机：J5－Plava－100，俄罗斯斯美其卡及莫尼亚机械制造公司。

图1 微滤设备装置图Figure 1 The microfiltration setting drawing

1.3 试验方法

1.3.1 微滤操作 原料乳经预热升温到50℃后，泵入碟片式离心机进行乳脂分离。得到的脱脂乳倒入微滤设备后进行微滤除菌操作。通过列管换热器调节乳的温度稳定在50℃左右。调整离心泵的流量来调节错流速率，使其由2.2m/s升至3.8m/s，通过调节泵流量和阀3开合度来控制TMP，使其从50kPa升至100kPa。TMP通过调节泵流量和阀3开合度来控制。过膜压力按式（1）计算，微滤的渗透速率按式（2）计算：

其中：

TMP—— 过膜压力，Pa；

P1—— 进膜压力，Pa；

P2—— 出膜压力，Pa；

Pp—— 渗透液的压力，Pa；

J—— 渗透速率，L/（m2·min）；

A—— 膜表面积，m2；

t—— 时间，min；

M—— 渗透液质量，kg；

ρ—— 渗透液的密度，kg/m3。

1.3.2 微生物分析及理化分析 原料脱脂乳和微滤脱脂乳均进行微生物分析。渗透液从无菌接受容器中取样分析，浓缩液直接从原料罐中取样分析。所有的微生物分析均在微滤完后立即进行。

（1）菌落总数测定：参照 GB 4789.2——2010。

（2）芽孢计数：在芽孢计数之前，样品需经热处理使细菌失活。首先无菌取样10mL乳置于无菌试管中，在同样的试管中加入10mL同样室温状态下的水，并插入温度计。将2支试管同时放入80℃水浴中保温，当水中的温度计达到80℃时开始计时。计时达10min后迅速将样品管取出，置于冰水中迅速降温到4℃。参照GB 4789.2——2010的计数法测定芽孢数量。所有的样品微生物计数试验均进行3次，每个梯度稀释样品涂布2个平板计数。

（3）乳成分及体细胞计数：样品制备后，当天送往北京市奶牛中心检测。由于微滤乳中体细胞直径较大，微滤时几乎都被截留，体细胞仪不能准确测定结果，故采用荧光染色计数法测定：取微滤后脱脂乳1mL，经4 000r/min离心10min浓缩菌体后，取下层0.1mL乳加入1%的溴化乙锭2μL，充分混匀反应5min，吸取10μL涂片1cm2，在荧光显微镜下观察计数。

1.3.3 膜的清洗操作 每次微滤之后进行清洗。首先利用反渗透水配置2%浓度的NaOH溶液，在70℃下清洗30min，然后用反渗透水清洗膜设备至中性，第2次清洗采用0.5%的HNO3溶液在50℃下清洗15min，清洗完后不排出，使硝酸溶液留在设备中，用以杀死设备中的微生物，然后下次使用前利用反渗透水清洗至中性。清洗效率和膜性能恢复率通过测定20℃纯水渗透速率试验来判断。控制过膜压力为100kPa，每次微滤前测定其渗透速率，本试验所用陶瓷膜渗透速率大约为4 500L/（m2·h）。

2 结果与分析

2.1 错流速率及过膜压力的选择

通过调节泵的流量及阀3开合度，使TMP稳定在（78±5）kPa左右，并使错流速率分别为2.2，2.75，3.8m/s。渗透速率结果如图2所示，错流速率为2.2m/s时，平均渗透速率为7.184L/（m2·min）；错流速率为2.75m/s时，平均渗透速率为11.92L/（m2·min）；错流速率为3.8m/s时，平均渗透速率为14.565L/（m2·min）。由图2可知，在微滤刚开始时渗透速率达到最大，随后开始缓慢下降。利用初始渗透速率（Jin）表示微滤开始之后的5min内的平均速率，通过“渗透速率/初始渗透速率”（J/Jin）来定量表示渗透速率相对原始渗透速率的降低情况，可以看出，随着错流速率的增加，不但平均渗透速率增加，而且J/Jin值也降低得较为缓慢。这是由于流体在膜内流动时都是湍流运动，随着错流速率的增加，管内液体的雷诺系数增加，湍流所产生的高剪切力将膜表面形成的污染层带走，防止浓差极化层的形成。试验发现2.75，3.8m/s两种错流速率的J/Jin值无显著差异，说明在TMP为78kPa时，当错流速率达到一定程度（2.75m/s）后再增加，也对减缓膜堵塞（减少浓差极化现象）无太大作用，但是有助于渗透速率的提高。

本试验由于泵频上限所限，错流速率无法再提高，但是通过吕加平、王荫榆及 G Solanki等人的研究［8，10－11］发现，当错流速率达5m/s或更高时，通过选择合适TMP，可以得到更好的微滤效果。

图2 错流速率对渗透速率（a）及速率变化比例（b）的影响Figure 2 Permeate flux（a）and relative flux change for microfiltration of skim milk under different cross－flow velocity（v）conditions.

控制错流速率为2.75m/s，调节进出口阀开合度来控制过膜压力。渗透速率结果如图3（a）所示，在（50±5）kPa的操作压力下，平均渗透速率为7.61L/（m2·min）；在（60±5）kPa的操作压力下，平均渗透速率为10.56L/（m2·min）；在（77.5±5）kPa的操作压力下，平均渗透速率为11.92L/（m2·min）；在（90±5）kPa的操作压力下，平均渗透速率为12.21L/（m2·min）。虽然在90kPa的TMP下平均渗透速率较高，但是随着微滤的进行，其J/Jin降低得较快（图3b），这意味着在此操作压力下，不能进行长时间生产。而当TMP为（77.5±5）kPa时，J/Jin变化较小。另外当TMP为（60±5）kPa时，其渗透速率变化比例也不大，说明在2.75m/s的错流速率下，存在一定范围的TMP可以使J/Jin值保持稳定，在本试验中TMP位于50～77.5kPa之间都可行，一旦大于或者小于这个范围，则会出现膜堵塞现象，降低渗透速率。

Fritsch等的研究［12］发现将脱脂乳在（6±1）℃左右进行微滤时，当错流速率达到7m/s时，最佳TMP位于60～85kPa，当过膜压力超过85kPa时，相对采用较低的操作压而言，其渗透速率对高压力更敏感，降低得更快。本试验牛乳微滤温度为50℃，但是从结果中同样可以得出相同结论。

牛乳温度越高，其黏度也就越低，容易透过微孔，从而越有利于微滤操作，因此影响脱脂乳的微滤稳定性的因素除了错流速率，过膜压力之外，还有温度。本试验得到在2.75m/s的错流速率下，最佳TMP为50～77.5kPa。Guerra等［13］研究发现，在0.5～1m/s的错流速率下，采用20kPa的TMP最佳；在1～2m/s的错流速率下，最佳TMP为20～30kPa。吕加平［8］研究在5m/s的错流速率下的操作压力，发现在不影响渗透速率稳定性的前提下，最大操作压力可以达200kPa。上述试验结果均说明随着错流速率的增加，最佳TMP上限也在增加。而Saboya的论述［14］表明利用1.4μm 的陶瓷膜微滤牛乳，选取错流速率7.2m/s，TMP为50kPa时，对细菌有较好的截留率，并有稳定的渗透速率，乳成分不会改变。说明错流速率越高，陶瓷膜对压力变化越不敏感，采用较低的操作压力也能使用渗透速度保持稳定。

图3 过膜压力对渗透速率（a）及速率变化比例（b）Figure 3 Permeate flux（a）and relative flux change for microfiltration of skim milk under different transmembrane pressure（TMP）conditions

2.2 微滤除菌和截留体细胞的效果

在最佳微滤操作条件下进行牛乳微滤除菌，试验结果如表1所示，其中细菌截留数量级为（3.471±0.232）Log，芽孢的截留数量级为（2.079±0.206）Log。由于仪器精度原因，渗透液的体细胞数据无法准确测定（＜3 000个/mL），通过荧光染色镜检法计数同样无法发现体细胞的存在，说明几乎所有体细胞得得以截留。在其中一次300L牛乳浓缩20倍（VCR＝20）的试验过程中，在不同浓缩比（VCR）时取样，结果见表2。

由表2可见，当VCR达到2时，即渗透液于截留液体积均为150L时，截留液的菌数并非是原料乳菌落总数2倍，而出现了4倍的增加，说明牛乳在50℃下微滤时，细菌繁殖很快，导致总的菌数在增加。但是在细菌繁殖的同时，由于牛乳经过陶瓷中空膜管时高速循环运动所产生的剪切力导致了菌体的破碎，所以在后面并未出现菌落数随着VCR的增加同步增加的情况，有时反而略有下降，最终VCR＝20时，截留液菌落数大约是渗透液的8倍，该结果与Elwell等［1］报道一致。

表1 牛乳微滤除菌后原料乳与渗透液菌落计数结果Table 1 The colony count in feed and permeate by microfiltration

表2 微滤过程中不同VCR菌落计数结果Table 2 The colony count in different VCR by microfiltration

2.3 微滤对脱脂乳化学成分的影响

当使用微滤操作截留微生物时，乳中其他成分——蛋白质、脂肪同样也被部分截留了，具体数据见表3。

其中乳糖成分的降低是由于设备中存在一定体积的水无法排出，加入脱脂乳后与之混合，对牛乳具有一定的稀释作用，从而导致渗透液中乳糖含量略有降低。从表中可以看出，在最佳操作条件下，微滤乳的蛋白质成分非常接近原料乳，而在V＝2.2m/s，TMP＝79kPa时，低错流速率和高TMP造成了微滤乳中蛋白质含量的显著下降，而且在图2中该操作条件导致了渗透速率的显著降低，说明陶瓷膜出现了较厚的浓差极化层，造成了堵塞。Fritsch等［13］研究发现，错流微滤操作中陶瓷膜的堵塞主要是由酪蛋白造成的，这一点正好可以解释渗透速率的降低与蛋白质透过率同步降低的原因：即酪蛋白颗粒堵塞了微滤膜，使得滤孔有效孔径缩小，导致了渗透速率的降低，并进一步导致酪蛋白颗粒的截留。

3 结论

在本试验中，确定了脱脂乳50℃微滤操作除菌、除芽孢及除体细胞的最佳操作参数。在2.75m/s的错流速率下，合适的TMP为50～77.5kPa，最高平均渗透速率达11.92L/（m2·min）。

表3 不同操作条件下微滤操作对牛乳营养成分的截留情况Table 3 Change in the composition in different processes as a result of microfiltration

在此条件下，细菌、芽孢、体细胞的脱除效果极显著，菌数降低了（3.471±0.232）Log，芽孢降低了 （2.079±0.206）Log，而且渗透液的蛋白质含量与原料脱脂乳的含量接近。但如果没有在最佳条件下进行微滤操作的话，就会造成微滤膜的堵塞，从而导致蛋白质的大量截留。随着错流速率的变化，其最佳TMP范围也发生变化，在不同的错流速率下，牛乳最佳微滤工艺参数，在实际操作中可根据具体情况进行选择。

经微滤处理的原料乳，既可用来制作ESL乳、低热乳粉和干酪等常规乳制品，亦可用来改善其他乳制品的品质及延长货架期。

1 Elwell M W，Barbano D M.Use of Microfiltration to Improve Fluid Milk Quality［J］.Journal of Dairy Science，2006，89（E.Suppl.）：E20－E30.

2 Barbano D M，Ma Y，Santos M V.Influence of Raw Milk Quality on Fluid Milk Shelf Life［J］.Journal of Dairy Science，2006，89（E.Suppl.）：E15－E19.

3 闫坤，吕加平，刘鹭，等.超声波对液态奶中枯草芽孢杆菌的杀菌作用［J］.中国乳品工业，2010，38（2）：4～6.

4 张勇，段旭昌，白艳红，等.超高压牛乳杀菌工艺参数的优化研究［J］.食品工业科技，2007，28（6）：138～141.

5 李启明，顾瑞霞.ESL乳的研究开发进展［J］.乳业科学与技术，2005，27（5）：193～197.

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11 Solanki G，Rizvi SSH.Physico－Chemical properties of skim milk retentates from Microfiltration［J］.Journal Dairy Science，2001，84（11）：2 381～2 391.

12 Fritsch J，Moraru C I.Development and optimization of a carbon dioxide－aided cold microfiltration process for the physical removal of microorganisms and somatic cells from skim milk［J］.Journal of Dairy Science，2008，91（10）：3 744～3 760.

13 Guerra A，Jonsson G，Rasmussen A，et al.Low cross－flow velocity microfiltration of skim milk for removal of bacterial spores［J］.International dairy journal，1997，7（12）：849～861.

14 Saboya L V，Maubois J L.Current developments of microfiltration technology in the dairy industry［J］.Lait，2000，80（11）：541～553.

Cross－flow microfiltration of bovin milk with ceramic membranes

KONG Fan－pi1LIU Lu1ZHAO Hui－fang2LV Jia－ping1

（1.Institute of Agro－food Science and Technology，Chinese Academy of Agricultural Science，Beijing100193，China；2.Beijing dairy cow center，Beijing100085，China）

Skim milk was microfiltrated to degerming the bacteria with a 1.4μm ceramic membranes.The Effect of cross－velocity and transmembrane pressure（TMP）on permeate flux and protein rejection was determined.The results show that，a range of TMP can keep the permeate flux steady when cross－velocity is fixed，and the best TMP upper limit is improved along with the increase of velocity.With cross－velocity of 2.75m/s，the proper TMP is between 50～77.5kPa.By the same time，the compositions of the milk are not rarely retained while the bacteria and spore count is reduced remarkablely，which is 3.471Log and 2.079Log respectively.

ceramic membranes；microfiltration；bacterial removal；cross－flow velocity transmembranes pressure

10.3969 /j.issn.1003－5788.2010.05.015

国家“十一五”奶业科技支撑计划项目（编号：2006BAD04A07）

孔凡丕（1985－），男，中国农业科学院在读硕士研究生。E－mail：kfpgood＠tom.com

吕加平

2010－05－30