牛乳陶瓷膜錯(cuò)流微濾工藝的研究

孔凡丕劉 鷺趙慧芳呂加平

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京 100193；2.北京市奶牛中心，北京 100085）

牛乳陶瓷膜錯(cuò)流微濾工藝的研究

孔凡丕1劉 鷺1趙慧芳2呂加平1

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京 100193；2.北京市奶牛中心，北京 100085）

利用孔徑為1.4μm的纖維管狀陶瓷膜對(duì)脫脂乳進(jìn)行微濾除菌試驗(yàn)，研究錯(cuò)流速率及過膜壓力對(duì)脫脂乳的滲透速率及蛋白質(zhì)截留率的影響。結(jié)果表明：在一定的錯(cuò)流速率下，存在一定范圍的過膜壓力（TMP），使得滲透速率保持穩(wěn)定，隨著錯(cuò)流速率的增加，最佳TMP范圍的上限增加。在2.75m/s的錯(cuò)流速率下，合適的 TMP為50～77.5kPa，此時(shí)乳中的營(yíng)養(yǎng)成分幾乎沒有截留。同時(shí)，陶瓷膜對(duì)細(xì)菌和芽孢的截留效果較好，分別降低了3.471和2.079個(gè)數(shù)量級(jí)。

陶瓷膜；微濾；除菌；錯(cuò)流速率；過膜壓力

原料乳中的微生物對(duì)于乳及乳制品的品質(zhì)具有重要的影響，比如限制巴氏殺菌乳貨架期的主要因素是細(xì)菌過度繁殖導(dǎo)致的腐敗變質(zhì)［1］。對(duì)于UHT乳而言，雖然沒有細(xì)菌繁殖導(dǎo)致的產(chǎn)品問題，但是原料乳中的體細(xì)胞及嗜冷菌所產(chǎn)生的耐熱蛋白酶和脂肪酶在超高溫殺菌中仍有殘留，從而在貨架期內(nèi)對(duì)產(chǎn)品造成影響。因此，乳中微生物及體細(xì)胞的數(shù)量對(duì)乳制品的品質(zhì)具有顯著的影響［2］。常用的牛乳除菌方法有巴氏殺菌和超高溫（UHT）處理，另外還有超聲波殺菌、離心靜乳以及微濾除菌等方法［3－5］。

自從20世紀(jì)90年代陶瓷膜技術(shù)發(fā)展以來，國(guó)外關(guān)于錯(cuò)流微濾除菌的技術(shù)便得到了較大的發(fā)展。在許多國(guó)家，將巴氏殺菌和微濾除菌相結(jié)合生產(chǎn)巴氏殺菌過的牛奶已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，其除菌率可達(dá)99.8%～99.9%［6］。Giffel等［7］研究發(fā)現(xiàn)，微濾作用可以減少細(xì)菌總數(shù)的99.3%～99.99%，其中需氧孢子脫除率達(dá)99.1%～99.99%，厭氧孢子脫除率達(dá)99.1%～99.9%，而離心除菌僅能除掉細(xì)菌總數(shù)的86.0%～92.0%，需氧孢子脫除率達(dá)94.1%～97.7%，厭氧孢子脫除率達(dá)97.4%～98.7%。中國(guó)對(duì)于牛乳微濾工藝的研究的也已經(jīng)展開，且取得了良好的效果［8－10］，證實(shí)了陶瓷膜微濾的除菌效果。

本試驗(yàn)主要研究牛乳微濾操作工藝參數(shù)，微濾對(duì)蛋白質(zhì)和菌體的截留特性，總結(jié)了過膜壓力 （TMP）與錯(cuò)流速率（V）的相互關(guān)系，并得到在不同錯(cuò)流速率下陶瓷膜微濾的最佳TMP范圍，為微濾除菌的進(jìn)一步工業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基：北京路橋技術(shù)有限公司；

氫氧化鈉、硝酸：國(guó)產(chǎn)分析純；

新鮮牛乳：取自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧研究所，預(yù)熱至50℃ 后離心脫脂制備脫脂乳。

1.2 儀器與設(shè)備

陶瓷膜微濾中試設(shè)備：HFC－800，凱能高科技工程（上海）有限公司；該設(shè)備由一個(gè)中空纖維管狀陶瓷膜、一個(gè)管式換熱器、一個(gè)流速調(diào)節(jié)泵（圖1）組成。膜組件由300根中空纖維狀陶瓷管組成，其外徑為4mm，內(nèi)徑為3mm，總長(zhǎng)為34cm，平均孔徑為1.4μm，膜總面積為0.8m2；

體細(xì)胞快速測(cè)定儀：Fossomatic 5000，丹麥福斯；

乳成分體細(xì)胞快速測(cè)定儀：Milkoscan 4000，丹麥福斯；

乳脂分離機(jī)：J5－Plava－100，俄羅斯斯美其卡及莫尼亞機(jī)械制造公司。

圖1 微濾設(shè)備裝置圖Figure 1 The microfiltration setting drawing

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 微濾操作 原料乳經(jīng)預(yù)熱升溫到50℃后，泵入碟片式離心機(jī)進(jìn)行乳脂分離。得到的脫脂乳倒入微濾設(shè)備后進(jìn)行微濾除菌操作。通過列管換熱器調(diào)節(jié)乳的溫度穩(wěn)定在50℃左右。調(diào)整離心泵的流量來調(diào)節(jié)錯(cuò)流速率，使其由2.2m/s升至3.8m/s，通過調(diào)節(jié)泵流量和閥3開合度來控制TMP，使其從50kPa升至100kPa。TMP通過調(diào)節(jié)泵流量和閥3開合度來控制。過膜壓力按式（1）計(jì)算，微濾的滲透速率按式（2）計(jì)算：

其中：

TMP—— 過膜壓力，Pa；

P1—— 進(jìn)膜壓力，Pa；

P2—— 出膜壓力，Pa；

Pp—— 滲透液的壓力，Pa；

J—— 滲透速率，L/（m2·min）；

A—— 膜表面積，m2；

t—— 時(shí)間，min；

M—— 滲透液質(zhì)量，kg；

ρ—— 滲透液的密度，kg/m3。

1.3.2 微生物分析及理化分析 原料脫脂乳和微濾脫脂乳均進(jìn)行微生物分析。滲透液從無菌接受容器中取樣分析，濃縮液直接從原料罐中取樣分析。所有的微生物分析均在微濾完后立即進(jìn)行。

（1）菌落總數(shù)測(cè)定：參照 GB 4789.2——2010。

（2）芽孢計(jì)數(shù)：在芽孢計(jì)數(shù)之前，樣品需經(jīng)熱處理使細(xì)菌失活。首先無菌取樣10mL乳置于無菌試管中，在同樣的試管中加入10mL同樣室溫狀態(tài)下的水，并插入溫度計(jì)。將2支試管同時(shí)放入80℃水浴中保溫，當(dāng)水中的溫度計(jì)達(dá)到80℃時(shí)開始計(jì)時(shí)。計(jì)時(shí)達(dá)10min后迅速將樣品管取出，置于冰水中迅速降溫到4℃。參照GB 4789.2——2010的計(jì)數(shù)法測(cè)定芽孢數(shù)量。所有的樣品微生物計(jì)數(shù)試驗(yàn)均進(jìn)行3次，每個(gè)梯度稀釋樣品涂布2個(gè)平板計(jì)數(shù)。

（3）乳成分及體細(xì)胞計(jì)數(shù)：樣品制備后，當(dāng)天送往北京市奶牛中心檢測(cè)。由于微濾乳中體細(xì)胞直徑較大，微濾時(shí)幾乎都被截留，體細(xì)胞儀不能準(zhǔn)確測(cè)定結(jié)果，故采用熒光染色計(jì)數(shù)法測(cè)定：取微濾后脫脂乳1mL，經(jīng)4 000r/min離心10min濃縮菌體后，取下層0.1mL乳加入1%的溴化乙錠2μL，充分混勻反應(yīng)5min，吸取10μL涂片1cm2，在熒光顯微鏡下觀察計(jì)數(shù)。

1.3.3 膜的清洗操作 每次微濾之后進(jìn)行清洗。首先利用反滲透水配置2%濃度的NaOH溶液，在70℃下清洗30min，然后用反滲透水清洗膜設(shè)備至中性，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，使硝酸溶液留在設(shè)備中，用以殺死設(shè)備中的微生物，然后下次使用前利用反滲透水清洗至中性。清洗效率和膜性能恢復(fù)率通過測(cè)定20℃純水滲透速率試驗(yàn)來判斷?？刂七^膜壓力為100kPa，每次微濾前測(cè)定其滲透速率，本試驗(yàn)所用陶瓷膜滲透速率大約為4 500L/（m2·h）。

2 結(jié)果與分析

2.1 錯(cuò)流速率及過膜壓力的選擇

通過調(diào)節(jié)泵的流量及閥3開合度，使TMP穩(wěn)定在（78±5）kPa左右，并使錯(cuò)流速率分別為2.2，2.75，3.8m/s。滲透速率結(jié)果如圖2所示，錯(cuò)流速率為2.2m/s時(shí)，平均滲透速率為7.184L/（m2·min）；錯(cuò)流速率為2.75m/s時(shí)，平均滲透速率為11.92L/（m2·min）；錯(cuò)流速率為3.8m/s時(shí)，平均滲透速率為14.565L/（m2·min）。由圖2可知，在微濾剛開始時(shí)滲透速率達(dá)到最大，隨后開始緩慢下降。利用初始滲透速率（Jin）表示微濾開始之后的5min內(nèi)的平均速率，通過“滲透速率/初始滲透速率”（J/Jin）來定量表示滲透速率相對(duì)原始滲透速率的降低情況，可以看出，隨著錯(cuò)流速率的增加，不但平均滲透速率增加，而且J/Jin值也降低得較為緩慢。這是由于流體在膜內(nèi)流動(dòng)時(shí)都是湍流運(yùn)動(dòng)，隨著錯(cuò)流速率的增加，管內(nèi)液體的雷諾系數(shù)增加，湍流所產(chǎn)生的高剪切力將膜表面形成的污染層帶走，防止?jié)獠顦O化層的形成。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2.75，3.8m/s兩種錯(cuò)流速率的J/Jin值無顯著差異，說明在TMP為78kPa時(shí)，當(dāng)錯(cuò)流速率達(dá)到一定程度（2.75m/s）后再增加，也對(duì)減緩膜堵塞（減少濃差極化現(xiàn)象）無太大作用，但是有助于滲透速率的提高。

本試驗(yàn)由于泵頻上限所限，錯(cuò)流速率無法再提高，但是通過呂加平、王蔭榆及 G Solanki等人的研究［8，10－11］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錯(cuò)流速率達(dá)5m/s或更高時(shí)，通過選擇合適TMP，可以得到更好的微濾效果。

圖2 錯(cuò)流速率對(duì)滲透速率（a）及速率變化比例（b）的影響Figure 2 Permeate flux（a）and relative flux change for microfiltration of skim milk under different cross－flow velocity（v）conditions.

控制錯(cuò)流速率為2.75m/s，調(diào)節(jié)進(jìn)出口閥開合度來控制過膜壓力。滲透速率結(jié)果如圖3（a）所示，在（50±5）kPa的操作壓力下，平均滲透速率為7.61L/（m2·min）；在（60±5）kPa的操作壓力下，平均滲透速率為10.56L/（m2·min）；在（77.5±5）kPa的操作壓力下，平均滲透速率為11.92L/（m2·min）；在（90±5）kPa的操作壓力下，平均滲透速率為12.21L/（m2·min）。雖然在90kPa的TMP下平均滲透速率較高，但是隨著微濾的進(jìn)行，其J/Jin降低得較快（圖3b），這意味著在此操作壓力下，不能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)。而當(dāng)TMP為（77.5±5）kPa時(shí)，J/Jin變化較小。另外當(dāng)TMP為（60±5）kPa時(shí)，其滲透速率變化比例也不大，說明在2.75m/s的錯(cuò)流速率下，存在一定范圍的TMP可以使J/Jin值保持穩(wěn)定，在本試驗(yàn)中TMP位于50～77.5kPa之間都可行，一旦大于或者小于這個(gè)范圍，則會(huì)出現(xiàn)膜堵塞現(xiàn)象，降低滲透速率。

Fritsch等的研究［12］發(fā)現(xiàn)將脫脂乳在（6±1）℃左右進(jìn)行微濾時(shí)，當(dāng)錯(cuò)流速率達(dá)到7m/s時(shí)，最佳TMP位于60～85kPa，當(dāng)過膜壓力超過85kPa時(shí)，相對(duì)采用較低的操作壓而言，其滲透速率對(duì)高壓力更敏感，降低得更快。本試驗(yàn)牛乳微濾溫度為50℃，但是從結(jié)果中同樣可以得出相同結(jié)論。

牛乳溫度越高，其黏度也就越低，容易透過微孔，從而越有利于微濾操作，因此影響脫脂乳的微濾穩(wěn)定性的因素除了錯(cuò)流速率，過膜壓力之外，還有溫度。本試驗(yàn)得到在2.75m/s的錯(cuò)流速率下，最佳TMP為50～77.5kPa。Guerra等［13］研究發(fā)現(xiàn)，在0.5～1m/s的錯(cuò)流速率下，采用20kPa的TMP最佳；在1～2m/s的錯(cuò)流速率下，最佳TMP為20～30kPa。呂加平［8］研究在5m/s的錯(cuò)流速率下的操作壓力，發(fā)現(xiàn)在不影響滲透速率穩(wěn)定性的前提下，最大操作壓力可以達(dá)200kPa。上述試驗(yàn)結(jié)果均說明隨著錯(cuò)流速率的增加，最佳TMP上限也在增加。而Saboya的論述［14］表明利用1.4μm 的陶瓷膜微濾牛乳，選取錯(cuò)流速率7.2m/s，TMP為50kPa時(shí)，對(duì)細(xì)菌有較好的截留率，并有穩(wěn)定的滲透速率，乳成分不會(huì)改變。說明錯(cuò)流速率越高，陶瓷膜對(duì)壓力變化越不敏感，采用較低的操作壓力也能使用滲透速度保持穩(wěn)定。

圖3 過膜壓力對(duì)滲透速率（a）及速率變化比例（b）Figure 3 Permeate flux（a）and relative flux change for microfiltration of skim milk under different transmembrane pressure（TMP）conditions

2.2 微濾除菌和截留體細(xì)胞的效果

在最佳微濾操作條件下進(jìn)行牛乳微濾除菌，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，其中細(xì)菌截留數(shù)量級(jí)為（3.471±0.232）Log，芽孢的截留數(shù)量級(jí)為（2.079±0.206）Log。由于儀器精度原因，滲透液的體細(xì)胞數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確測(cè)定（＜3 000個(gè)/mL），通過熒光染色鏡檢法計(jì)數(shù)同樣無法發(fā)現(xiàn)體細(xì)胞的存在，說明幾乎所有體細(xì)胞得得以截留。在其中一次300L牛乳濃縮20倍（VCR＝20）的試驗(yàn)過程中，在不同濃縮比（VCR）時(shí)取樣，結(jié)果見表2。

由表2可見，當(dāng)VCR達(dá)到2時(shí)，即滲透液于截留液體積均為150L時(shí)，截留液的菌數(shù)并非是原料乳菌落總數(shù)2倍，而出現(xiàn)了4倍的增加，說明牛乳在50℃下微濾時(shí)，細(xì)菌繁殖很快，導(dǎo)致總的菌數(shù)在增加。但是在細(xì)菌繁殖的同時(shí)，由于牛乳經(jīng)過陶瓷中空膜管時(shí)高速循環(huán)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的剪切力導(dǎo)致了菌體的破碎，所以在后面并未出現(xiàn)菌落數(shù)隨著VCR的增加同步增加的情況，有時(shí)反而略有下降，最終VCR＝20時(shí)，截留液菌落數(shù)大約是滲透液的8倍，該結(jié)果與Elwell等［1］報(bào)道一致。

表1 牛乳微濾除菌后原料乳與滲透液菌落計(jì)數(shù)結(jié)果Table 1 The colony count in feed and permeate by microfiltration

表2 微濾過程中不同VCR菌落計(jì)數(shù)結(jié)果Table 2 The colony count in different VCR by microfiltration

2.3 微濾對(duì)脫脂乳化學(xué)成分的影響

當(dāng)使用微濾操作截留微生物時(shí)，乳中其他成分——蛋白質(zhì)、脂肪同樣也被部分截留了，具體數(shù)據(jù)見表3。

其中乳糖成分的降低是由于設(shè)備中存在一定體積的水無法排出，加入脫脂乳后與之混合，對(duì)牛乳具有一定的稀釋作用，從而導(dǎo)致滲透液中乳糖含量略有降低。從表中可以看出，在最佳操作條件下，微濾乳的蛋白質(zhì)成分非常接近原料乳，而在V＝2.2m/s，TMP＝79kPa時(shí)，低錯(cuò)流速率和高TMP造成了微濾乳中蛋白質(zhì)含量的顯著下降，而且在圖2中該操作條件導(dǎo)致了滲透速率的顯著降低，說明陶瓷膜出現(xiàn)了較厚的濃差極化層，造成了堵塞。Fritsch等［13］研究發(fā)現(xiàn)，錯(cuò)流微濾操作中陶瓷膜的堵塞主要是由酪蛋白造成的，這一點(diǎn)正好可以解釋滲透速率的降低與蛋白質(zhì)透過率同步降低的原因：即酪蛋白顆粒堵塞了微濾膜，使得濾孔有效孔徑縮小，導(dǎo)致了滲透速率的降低，并進(jìn)一步導(dǎo)致酪蛋白顆粒的截留。

3 結(jié)論

在本試驗(yàn)中，確定了脫脂乳50℃微濾操作除菌、除芽孢及除體細(xì)胞的最佳操作參數(shù)。在2.75m/s的錯(cuò)流速率下，合適的TMP為50～77.5kPa，最高平均滲透速率達(dá)11.92L/（m2·min）。

表3 不同操作條件下微濾操作對(duì)牛乳營(yíng)養(yǎng)成分的截留情況Table 3 Change in the composition in different processes as a result of microfiltration

在此條件下，細(xì)菌、芽孢、體細(xì)胞的脫除效果極顯著，菌數(shù)降低了（3.471±0.232）Log，芽孢降低了 （2.079±0.206）Log，而且滲透液的蛋白質(zhì)含量與原料脫脂乳的含量接近。但如果沒有在最佳條件下進(jìn)行微濾操作的話，就會(huì)造成微濾膜的堵塞，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)的大量截留。隨著錯(cuò)流速率的變化，其最佳TMP范圍也發(fā)生變化，在不同的錯(cuò)流速率下，牛乳最佳微濾工藝參數(shù)，在實(shí)際操作中可根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。

經(jīng)微濾處理的原料乳，既可用來制作ESL乳、低熱乳粉和干酪等常規(guī)乳制品，亦可用來改善其他乳制品的品質(zhì)及延長(zhǎng)貨架期。

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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

國(guó)家“十一五”奶業(yè)科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2006BAD04A07）

孔凡丕（1985－），男，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院在讀碩士研究生。E－mail：kfpgood＠tom.com

呂加平

2010－05－30