膜分離技術(shù)在乳品工業(yè)中的實(shí)踐探析

高杰 李梅 盛玉娟 崔國慶 白榮國 張永旺 賴鵬 李云江 內(nèi)蒙古蒙牛乳業(yè)（集團(tuán)）股份有限公司 011517

在20世紀(jì)60年代，膜分離技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域之中，食品工業(yè)也不例外。在各類食品加工行業(yè)中，乳品加工、啤酒無菌過濾是最先使用膜分離技術(shù)的行業(yè)，之后該技術(shù)逐漸在果汁生產(chǎn)、酒類精制等加工環(huán)節(jié)中應(yīng)用。膜分離技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢十分明顯，包括高效、便捷、環(huán)保等等。目前，膜分離技術(shù)在乳品工業(yè)中的應(yīng)用也十分廣泛，可以提升乳制品的質(zhì)量，促進(jìn)傳統(tǒng)工藝的改進(jìn)和優(yōu)化，帶動乳制品行業(yè)的發(fā)展。

1 膜分離技術(shù)的特點(diǎn)

膜分離技術(shù)有很多特點(diǎn)，要發(fā)揮該技術(shù)的使用效果，就要掌握該技術(shù)的各項(xiàng)特點(diǎn)，具體包括以下幾個方面：

第一，膜本身具有選擇性，一部分物質(zhì)可以透過，還有一部分物質(zhì)會被阻擋。在使用的過程中，可以根據(jù)需求選擇恰當(dāng)?shù)哪?，進(jìn)而達(dá)到分離、提純、濃縮等加工目的。膜可以分離的顆粒最小可達(dá)到納米級，分析系數(shù)最高可以達(dá)到三位數(shù)，所以其具有效果明顯的特點(diǎn)；

第二，在膜分離技術(shù)應(yīng)用的過程中，不會出現(xiàn)相位變化，相較于其它會出現(xiàn)相位變化的分離方式，該分離技術(shù)耗能量較小，所以其具有節(jié)能的特點(diǎn)；

第三，在該技術(shù)應(yīng)用的過程中，要保障系統(tǒng)的密閉性，不需要進(jìn)行加熱處理，也不會出現(xiàn)化學(xué)變化，進(jìn)而減少了熱和氧對食品造成的影響，盡可能保留了食品的營養(yǎng)成分。所以，該技術(shù)可以在熱敏感物質(zhì)中應(yīng)用，包括藥品、果汁等產(chǎn)品的分級、濃縮、分離等處理，具體應(yīng)用廣泛[1]；

第四，膜分離技術(shù)既可以在有機(jī)物和無機(jī)物的處理中應(yīng)用，還能對病毒、細(xì)菌、為例等進(jìn)行分離，許多特殊溶液都可以采用該分離技術(shù)。例如，共沸物的分離等等；

第五，在膜分離的過程中，推動力只有壓力，所以分離裝置不需要安裝運(yùn)動部件，結(jié)構(gòu)比較簡單，具有操作便捷、維修簡單的特點(diǎn)；

第六，膜分離技術(shù)可以進(jìn)行冷殺菌，耗能和成本都比較低，同時具有較高的速度，不會對環(huán)境造成污染，可見其具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)。

2 膜分離技術(shù)的原理和方法

2.1 技術(shù)原理

在膜分離技術(shù)應(yīng)用過程中，根據(jù)磨具選擇透過性的特點(diǎn)，如果兩側(cè)同時具備推動力，包括電位差、壓力等，原料側(cè)組分會透過膜，則被膜進(jìn)行選擇，最終實(shí)現(xiàn)提純的目的。這個傳遞過程原理比較簡單，但是環(huán)節(jié)相對復(fù)雜，通過多孔型膜的有孔模型、微孔擴(kuò)散模型等等；通過非多孔膜的則為溶解-擴(kuò)散模型等。根據(jù)膜過程的差異，需要使用不同的膜，推動力和傳遞機(jī)理上都存在差異。

膜分離的效能高低與膜的自身屬性有直接關(guān)系，膜可以分成兩種，一種是液膜，另一種是固體膜。固體膜可以進(jìn)一步分為無機(jī)多孔膜、合成膜和多孔膜。無機(jī)多孔膜的構(gòu)成材料為無機(jī)質(zhì)多孔材料，將膠體和不溶性微顆粒在無機(jī)多孔膜上進(jìn)行強(qiáng)制沉積，動力形成膜隨之形成。

合成膜采用多種合成材料，包括聚乙烯、聚丙烯、醋酸纖維素等等。合成膜有很多種，包括離子交換膜、均質(zhì)膜和多孔膜；多孔膜是比較常用的一種膜，包括非對稱膜和復(fù)合膜兩種[2]。前者膜體分為兩部分，一部分是表皮層，其具有質(zhì)地致密的特點(diǎn)，厚度在0.1-0.2μm之間，其與膜的選擇性和滲透性有直接關(guān)系。另一部分是支撐層，具有多孔結(jié)構(gòu)，需要較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度?？梢詫﹁T膜液組成和凝膠條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到控制膜結(jié)構(gòu)的目的。

根據(jù)過程可以將膜分為液膜分離和合成膜分離兩種類型。前者包括乳化液莫、固定液膜兩個分離過程。后者包括微過濾、超過濾、反滲透等過程。

2.2 分離方法

膜分離方法具體包括以下解方面：第一，微濾。該過濾方式主要在細(xì)菌、微粒等物質(zhì)的分離中應(yīng)用，膜孔徑需要控制在0.05-2.00μm之間，壓力則應(yīng)該控制在100KPa左右；第二，超濾。該方法的推動力為壓力差，孔徑控制在0.0015-0.02μm之間，壓力不低于100KPa，不高于1000KPa，普遍在大分子分離或分級中應(yīng)用；第三，納濾。該過濾方法的推動力也是壓力差，孔徑控制在2nm左右，普遍在水溶液分離中使用，將水溶液中的小分子物質(zhì)去除；第四，反滲透。這種方式依舊采用壓力差作為推動力，孔徑不超過0.002μm，需要的壓力在0.1MPa以上，10.0MPa一下，普遍在低分子無機(jī)物、水溶液分離中應(yīng)用；第五，滲析。推動力為濃度差，普遍應(yīng)用在水溶液脫出之中，將無機(jī)鹽和酸通過滲析的方式脫出；第六，電滲析。推動力為電位差，應(yīng)用在溶液脫出或電集之中，主要針對電介質(zhì)使用。

3 膜分離技術(shù)在乳品工業(yè)中的應(yīng)用

3.1 微濾除菌

在乳品工業(yè)中，膜技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，且已經(jīng)發(fā)展了一定的時間。國外率先采用這種技術(shù)，我國技術(shù)雖然起步較晚，但因?yàn)樵摷夹g(shù)工藝簡單、能耗較低、綠色環(huán)保，所以發(fā)展較快，在乳品工業(yè)中發(fā)揮了十分重要的作用。其中，微濾除菌是比較常用的一種技術(shù)。膜過濾滅菌系統(tǒng)由多個環(huán)節(jié)組成，具體包括乳脂分離、濃縮相高溫瞬時滅菌、脫脂乳微孔過濾等等。在實(shí)際加工的過程中，可以采用微濾技術(shù)，利用該技術(shù)可以將細(xì)菌和孢子去除，可以提升乳品品質(zhì)。相較于加熱殺菌，這種除菌方式效果更好。

該系統(tǒng)滅菌過程可以分為2部分，一部分是利用微孔過濾的方式將脫脂乳中的細(xì)菌和孢子截留，另一部分是將過濾界留下的濃縮相和最初分理處的乳脂進(jìn)行高溫瞬時滅菌。因?yàn)槲锪现兴牡鞍踪|(zhì)較少，所以可以應(yīng)用強(qiáng)化高溫滅菌條件。脂肪球和乳中細(xì)菌的大小十分相近，所以脂肪球也會被截留。針對這種情況，應(yīng)該先分離脂肪，再進(jìn)行微濾，以此避免在過濾過程中出現(xiàn)的膜堵塞的情況，使蛋白質(zhì)可以更加高效的被過濾掉，既可以保障濃縮比，也不會出現(xiàn)阻孔的情況，可以保障正常的流速[3]。

研究表明，微過濾除菌獲得的乳品符合衛(wèi)生指標(biāo)，除了平均菌落總數(shù)比UHT乳稍高外，其他各項(xiàng)指標(biāo)均相同。為了確保分離效率，要合理選擇膜孔尺寸。要保障其具有較高的截留率和良好的通透率。實(shí)驗(yàn)表明，膜孔應(yīng)該控制在0.6-0.7μm之間，各項(xiàng)操作條件也要進(jìn)行嚴(yán)格的控制，尤其是溫度和壓力，應(yīng)該分別控制在50℃和30-40KPa。

3.2 牛乳濃縮

利用膜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)食品組分的濃縮和提純，可以將食品的風(fēng)味物質(zhì)保留下來，在脫脂乳濃縮方面，該技術(shù)的應(yīng)用比較廣泛。即采用反滲透的方式，可以將超過60%的水分去除掉，采用超濾的方式則可以獲得80%以上蛋白質(zhì)含量的脫脂濃乳。采用反滲透的方式，可以濃縮原料乳，將其固形物含量濃縮到25%，通過真空蒸發(fā)的方式，獲得更高的固形物含量。研究表明，超濾和反滲透都可以在軟干酪、夸克干酪的預(yù)濃縮中應(yīng)用，對于提升產(chǎn)量有一定的幫助。

3.3 優(yōu)化乳品

在乳品工業(yè)中，牛乳是最基本的原料。牛乳會受到季節(jié)、環(huán)境條件的影響，質(zhì)量組成并不均衡統(tǒng)一。為了保障產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定，在乳品加工的過程中，需要采用調(diào)整原料乳質(zhì)量組成的工藝技術(shù)，使產(chǎn)品趨于標(biāo)準(zhǔn)化?？梢岳媚ぜ夹g(shù)選擇性分離的特點(diǎn)，對濃縮比進(jìn)行合理的控制，調(diào)整牛乳中的組分質(zhì)量比。

在經(jīng)過超濾濃縮之后，牛乳中的蛋白質(zhì)和乳脂含量增加，乳糖和灰分并沒有明顯的變化。所以，超濾可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整蛋白質(zhì)、脂肪含量的目的。通過超濾的方式進(jìn)行脫脂乳分離，首先將含有2-3倍蛋白濃縮物的截留液體和沒有蛋白質(zhì)的透過液分離開，使液態(tài)奶的蛋白含量產(chǎn)生差異。研究表明，標(biāo)準(zhǔn)化后的牛奶質(zhì)量更高，不論是在黏度，還是在色澤方面，都比普通的牛奶品質(zhì)要好。

4 結(jié)語：

綜上所述，隨著乳品工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，人們對乳制品的要求也在不斷提升。為了滿足人們對乳制品的需求，不僅要加大乳品產(chǎn)量，還要提升乳品質(zhì)量。為此，可以在乳品工業(yè)生產(chǎn)的過程中采用膜分離的技術(shù)，該技術(shù)具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢，可以提升乳品品質(zhì)，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。