膜技术在乳制品工业中的应用前景

张 琦，张明科

（恩施职业技术学院，湖北恩施 445000）

“膜技术”是通过使用特定的半透膜过滤器，通过选择性地允许一些化合物通过而阻碍另一些化合物通过，将一种液体浓缩或分馏成两种不同成分的液体。能通过膜的液体称为“渗透液”，保留的液体称为“浓缩液”。膜的效率在很大程度上取决于跨膜的静水压力梯度和液体的浓度梯度，而在少数情况下电势起重要作用（徐金涛等，2019）。牛奶对人类是最好、最理想、最完整的食物之一，在饮食中占有重要地位，特别是对于素食者。膜技术自20 世纪60 年代初开始应用于乳品行业，目前仅次于水处理技术，成为更传统的乳品加工如蒸馏、蒸发或萃取的可行替代方法。在乳制品工业中，约2/3 的膜面积用于乳清的处理，约1/3 用于牛奶，而在目前的情况下，不同类型的膜分离技术如超滤和反渗透正用于乳品行业（黎海涛，2016）。

膜过滤技术的使用为消费者和生产者提供了广泛优势。膜技术是一种新型的非热环境友好型绿色技术，具有极大的发展潜力，可以最大限度地减少温度对产物的相位变化、蛋白质变性和感官属性变化等不利影响。膜可去除对产品质量有负面影响的有害成分，如微生物、药物或沉淀物，使最终产品在质地上更具吸引力，并延长其保质期。膜的选择性非常高，这是由于其独特的作用机制，如离子交换、溶液扩散等。由于其紧凑的设计和极低的维护成本，该膜适用于不同类型的工厂。同时膜的操作也非常简单，具有竞争力，不需要任何专业知识来处理或操作它们。

1 膜的特点

微滤是一种膜分离过程，类似于超滤，但膜孔更大，允许0.2 ～2 μm 的颗粒通过，其所使用的压力一般低于超滤。微滤膜尤其适合分离0.1 ～10.0 μm 的尺寸，而1 ～100 nm 的超滤膜用来提供高保留蛋白质和其他大分子（Van Reis等，2007）。超滤是一种流体静压作用下液体对半透膜过滤的方法，高分子量的悬浮物和溶质被保留，而水和低分子量的溶质则通过膜，这是一个分离/ 分馏过程。纳米过滤是一种反渗透膜，其结构较为开放，允许一价离子通过膜，并在很大程度上排斥二价离子。反渗透是一种以非常致密的膜为基础的高压膜过滤工艺，其孔径非常小，只允许少量的非常低分子量的溶质通过膜（李银和张林，2018）。

2 膜在乳制品工业中的应用

在现代乳品加工中，膜在牛奶澄清、提高所选组分的浓度及从牛奶或乳制品副产品中分离出特定的有价值组分等方面起重要作用。膜分离技术似乎是牛奶分馏的合理选择，因为许多牛奶成分可以按尺寸分离。在加工乳清过程中已经建立了良好的膜，并在其他乳制品应用中越来越受欢迎。膜技术通过降低生产成本和产生新的收入来提高乳制品的经济效益。在乳品工业中，膜技术被证明是一种经济的替代方法，可以替代许多重要的牛奶加工阶段，如离心、除菌、蒸发、乳清脱矿等（Pouliot，2008）。二氧化碳辅助冷式微滤工艺对乳制品行业具有潜在的经济吸引力，对乳制品的质量和货架期有直接好处，微滤会排斥脂肪和微生物，同时允许其他牛奶成分通过膜，从而产生无脂肪、无细菌的牛奶，而反渗透膜面积稳定在60000 m2左右，主要用于乳清浓缩（Saxena 等，2009）。

2.1 延长牛奶货架期 延长货架期奶制品是一种经过特殊处理以减少微生物数量的产品，在极端的卫生条件下包装，在冷藏条件下延长货架期。微滤是一种替代热处理的方法，可以减少细菌数量，提高乳制品的微生物安全性，同时对保持口感方面具有重要的作用。它是一种非热的方法，可以清除牛奶、乳清和奶酪卤水中的细菌和孢子，延长货架期，而不损害感官属性。低温微滤还可以减少微生物对膜的污染，阻止嗜热孢子的萌发。通过对膜结构、设计和组成的适当修改，有可能使牛奶不含细菌。在延长货架期牛奶的生产过程中涉及热处理或热处理与膜过滤的结合（Fristch 和Moraru，2008）。

体细胞计数在患有乳腺炎的哺乳期奶牛的牛奶中增加，严重影响牛奶组成和质量。采用微滤和高热处理相结合的方法可以使体细胞数量减少100%（Sharma 等，2012），其报道微滤和高热处理的联合应用，在不影响感官属性的情况下，通过减少嗜冷菌的数量，将8℃冷藏的牛奶货架期从12 d 延长到18 d。微滤过程在去除细菌和孢子方面比离心除菌更有效。

2.2 乳清加工 乳清是一种乳制品的副产品，是在乳制品制备过程中产生的，即奶酪、奶酪糊和酪蛋白。在发展中国家乳清被简单地抽干，导致宝贵的营养物质大量流失，并造成环境污染。用传统方法分离或浓缩乳清营养物质既繁琐又费时，而通过应用不同膜过滤技术，对具有营养物质的乳清进行浓缩，可以纯化到有价值的产品，如乳清浓缩蛋白。通过应用超滤和渗透，乳清浓缩蛋白的蛋白质含量可以增加35% ～85% 的总固体量，而通过微滤可以消除细菌和脂肪，使乳清分离蛋白的蛋白质含量可以增加90% 的总固体含量（Lipnizki，2010）。

细菌和孢子的膜分离可产生高质量的乳清蛋白浓缩物和乳清蛋白分离物，它们具有乳清固有的功能特性，因为它避免了乳清或蛋白的变性。这些乳清蛋白因其较高的生物学价值和改善食品功能特性（乳化、发泡和凝胶化）的能力而被用于食品工业。利用高效的膜功能从乳清中去除尽可能多的脂质，生产出具有良好保质性的乳清蛋白浓缩物。目前，超滤膜已在工业生产中得到应用，但膜的污染仍然是一个值得关注的问题。在这些乳清产品中，由于脂质杂质导致酸败而产生的异味仍然是人们关注的主要问题。有研究表明，通过热钙沉淀去除乳清中的残余脂肪，在50℃下将磷脂通过钙进行热处理8 min，然后用微滤和反渗透去除沉淀（Gesan 等，1995）。微滤技术的进步可通过分离跨膜压力和限制污垢的入口压力来直接去除脂蛋白变得更加容易。与传统的甜奶酪乳清相比，利用膜技术具有更高的功能特性。天然乳清蛋白浓缩物和天然乳清分离物是由反渗透浓缩的天然乳清生产的，在干燥过程中表现出良好的胶凝性、发泡性和可重构性（Ostergaard，2003）。

2.3 反渗透在奶酪生产上的作用 反渗透技术在奶酪加工中是高回报的，因为它将牛奶浓缩1.2 ～2.0 倍，并增加了酪蛋白与蛋白质比例，减少了对加工设备的要求，提高了奶酪的成分和质量控制，提高了奶酪产量（Johnson 和Lucey，2006）。有报道称，与传统工艺相比，反渗透法在制备奶酪过程中可节省13%～14%的脱脂牛奶，通过应用反渗透技术去除牛奶浓缩过程中的水分，可以制作出不含乳清的奶酪，从而不需要使用奶酪桶，避免去除乳清和排放乳清的繁琐处理步骤（Pedersen 和Ottosen，1992）。反渗透法在用酸化凝乳制取新鲜奶酪方面效果不佳，因为用这种传统的膜处理高酸性牛奶比较困难。发酵前pH升高，感官属性变差，蛋白水解和矿物质含量增加。

2.4 微滤技术在奶酪生产上的作用 由于微滤技术对酪蛋白浓缩乳在去除牛奶中的细菌和孢子后所获得的优良的微生物质量，以及对牛奶中不同主要成分的优化，因此非常适合各种奶酪的制备。奶酪牛奶的微滤预处理可以提高凝乳的硬度，加速成熟，减少添加剂如氯化钙的数量，促进高温耐受性（Schafroth 等，2005）。微滤技术在干酪牛奶蛋白质标准化和酪蛋白胶束粉强化方面具有可能性。高温处理后的微滤比单级离心除菌在微生物质量方面更高效。但这种先通过微滤处理再通过高温加热处理的方法改变了凝血酶凝，并增加了持水能力，因此在奶酪制备过程中需要调整参数（Pedersen 和Ottosen，1992）。

3 膜技术在乳蛋白和乳脂肪加工方面的应用

3.1 乳蛋白生产 牛奶蛋白尤其是酪蛋白在牛奶的白色浑浊外观和黏度中起重要作用。应用超滤技术在不添加任何外来蛋白源的情况下，通过去除水分来调整牛奶中的蛋白质含量，保持牛奶的成分、营养价值、理化性质和感官属性。在脱脂牛奶中加入1% 超滤蛋白强化牛奶可改善其黏度和感官特性，与全脂牛奶相似。利用膜技术从牛奶中分离出不同大小的各种牛奶成分，将使乳品行业非常高效，也提升了乳品的经济价值。Jimenez-Lopez 等（2008）认为，膜孔径均匀性、浓差极化现象和膜污染是决定牛奶组分分馏的主要因素。牛奶蛋白浓缩物和牛奶浓缩物越来越多地使用微滤技术，这些产品的成分、热稳定性、流变学和结构特性取决于所使用的薄膜类型和主要的加工条件，如温度、pH、加工时间等。为了从乳制品废料中回收有价值的蛋白质成分，人们做了大量工作。乳蛋白是有价值的产品，被用作高价值的食品添加剂、中和剂和治疗药物。

3.2 乳脂肪生产 传统上，奶油和全脂牛奶通过能量密集型离心分离，其中较轻的脂肪球向中心移动，较重的脱脂牛奶在离心力作用下向外围移动。通过节能膜分离技术，在不损伤脂肪球状膜的前提下，生产出贮存质量好、感官性状优良的脱脂乳。Goudedranche 等（2000）报道，应用膜可以分离2 μm 的脂肪小球，而脂肪球的大小对奶油质地和感官属性有显著影响，因为脂肪球较小的奶油比脂肪球较大的奶油质地更好，风味更好。

3.3 牛奶的脱盐或脱矿 从乳清中去除矿物质会增加其价值。奶酪乳清富含盐和酸，在使用前必须减少或去除矿物质，以减轻对环境的危害。脱矿是通过电渗析和离子交换过程实现的，可使矿物质减少60%（Greiter 等，2002）。电渗析的效率可以通过反渗透或蒸发预先浓缩20% 的干物质来提高，而乳清的脱盐是通过离子交换柱完成，离子去除率取决于柱中使用的树脂及离子类型。树脂再生需要大量的水和化学物质，因此这是该技术的主要局限性。分子量在200 ～1000道尔顿的纳米滤膜最适合用于乳清脱矿，因为这些膜能渗透盐和单价离子，但不能渗透有机化合物。在普遍的酸性条件下，有机化合物的羧基与膜结合，这项技术在浓缩的同时去除乳清中的矿物质，有助于节省成本、时间和水的处理（赫晨宇等，2018）。

4 结论与展望

膜技术在乳品科学中的引入不仅对乳品行业，而且对膜行业都产生了互惠互利的现象。膜技术的应用不仅使现有的高产乳制品在营养品质和感官属性上有了显著提高，而且使几种新型乳制品的开发成为可能。但目前乳品生产过程中由于污染引起的通量急剧下降，膜的容量相对较低，而且由于控制污染需要较高的横流速度，生产过程对能量的要求也比较高。此外，污垢的控制方法也增加了设备和操作的复杂性。除了污染外，选择性也是膜分离的一个重要问题。因此我们需要开发便宜、容易获得、优质和持久的膜。