不同處理參數(shù)對(duì)乳清的理化性質(zhì)及超濾膜通量的影響

文/滕國(guó)新 于瑞紅

（1北京城市學(xué)院；2新疆瑞源乳業(yè)有限公司）

不同處理參數(shù)對(duì)乳清的理化性質(zhì)及超濾膜通量的影響

文/滕國(guó)新1于瑞紅2

（1北京城市學(xué)院；2新疆瑞源乳業(yè)有限公司）

乳清是生產(chǎn)奶酪的副產(chǎn)品，生產(chǎn)1 t奶酪產(chǎn)生9 t的乳清，乳清中含有珍貴的乳清蛋白，直接排放進(jìn)行污水處理，不僅造成資源浪費(fèi)、成本增加，而且對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。乳清的加工利用成為需要盡快解決的一個(gè)迫切問(wèn)題。牛奶加工處理參數(shù)對(duì)乳清的理化性質(zhì)的影響還未見(jiàn)詳細(xì)的研究報(bào)道。通過(guò)該研究，探求適宜的牛奶的處理方法，來(lái)滿足國(guó)內(nèi)對(duì)乳清蛋白的利用需求。研究發(fā)現(xiàn)，不同發(fā)酵工藝和時(shí)間造成乳清有不同的pH值，不同的pH值對(duì)乳清中成分變化是有影響的。隨著熱處理溫度的升高，乳清蛋白的含量逐漸從0.68%降低到0.64%。熱處理對(duì)脂肪影響不大。隨著乳清的pH值的升高，乳清的膜通量變化比較接近沒(méi)有顯著的差異。超濾過(guò)程中，隨著截留液中固形物含量的增加，膜通量不斷減小，截留液中蛋白質(zhì)濃度也在不斷增加，蛋白質(zhì)濃度從0.87%增加到2.10%～3.00%，膜通量降低了3.12 倍。

乳清處理；加工參數(shù)；膜通量

1 前言

乳清是生產(chǎn)奶酪的副產(chǎn)品，生產(chǎn)1 t奶酪產(chǎn)生9 t的乳清。乳清中含有珍貴的乳清蛋白，直接排放進(jìn)行污水處理，不僅造成資源浪費(fèi)、成本增加，而且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。國(guó)外非常重視乳清的綜合開(kāi)發(fā)與利用。國(guó)家《乳制品工業(yè)產(chǎn)業(yè)政策》也明確提出了對(duì)干酪加工技術(shù)和乳清綜合利用技術(shù)的支持，因此乳清的加工利用成為需要盡快解決的一個(gè)迫切問(wèn)題。膜分離技術(shù)具有能耗低、分離過(guò)程中物質(zhì)不發(fā)生相變、分離效果好、操作簡(jiǎn)便、無(wú)副作用、無(wú)二次污染、分離產(chǎn)物易于回收等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的產(chǎn)品分離、純化等[1，2]。從工業(yè)企業(yè)排放的廢水中回收有價(jià)值的物質(zhì)，并使廢水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)或回收用于生產(chǎn)工序之中，已成為工業(yè)廢水處理中最易被企業(yè)接受的處理方法。乳清蛋白粉可作為嬰兒配方乳粉或其它食品的配料，市場(chǎng)前景看好。將膜分離技術(shù)應(yīng)用于乳清廢水的處理，為充分開(kāi)發(fā)利用乳清資源提供了一種行之有效的方法。牛奶加工處理過(guò)程對(duì)乳清的理化性質(zhì)的影響，直接影響乳清的提取和利用的研究，還未見(jiàn)詳細(xì)的報(bào)道，因此需要深入研究。通過(guò)該研究，探求適宜的牛奶處理方法，來(lái)滿足對(duì)乳清蛋白利用技術(shù)的需求[3]。

2 研究方法與材料

2.1 試驗(yàn)材料

超濾膜（截留分子量為6 000道爾頓，KOCH提供）為聚砜中空纖維膜組件，外殼為ABS 材質(zhì)。膜組件內(nèi)膜絲數(shù)750 根，單個(gè)膜絲長(zhǎng)度1 016 mm，纖維膜內(nèi)徑113 mm，纖維膜外徑119 mm，膜面積418 m2。乳酸、甘油等試劑為實(shí)驗(yàn)室常用分析純?cè)噭?/p>

2.2 主要儀器

本試驗(yàn)采用的主要儀器見(jiàn)表1。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 蛋白質(zhì)含量的測(cè)定

試劑甲：（A）10 g碳酸鈉、2 g氫氧化鈉和0.25 g酒石酸鉀鈉溶解于500 mL蒸餾水中；（B）稱0.5 g硫酸銅（CuSO4·5H2O）溶解于100 mL蒸餾水中，每次用前按（A）：（B）=50：1混合。試劑乙：Folin-酚試劑。

標(biāo)準(zhǔn)蛋白溶液：取結(jié)晶牛血清白蛋白2.5 mg溶于10 mL蒸餾水中，即成250 μg/mL。配制不同濃度的蛋白溶液，濃度分別為0、50、250 μg/mL。取1 mL蛋白質(zhì)溶液，加入試劑甲5 mL，混合10 min后，加入試劑乙0.50 mL，水0.98 mL，迅速混勻，放置在25～40 ℃下顯色40 min后，650 nm比色。以蛋白質(zhì)含量為橫坐標(biāo)，光密度值（OD值）為縱坐標(biāo)制作出標(biāo)準(zhǔn)曲線。

20 μL的發(fā)酵液加入試劑甲5 mL，試劑乙0.50 mL，水0.98 mL，迅速混勻后，放置在25～40 ℃下顯色40 min后，650 nm比色，測(cè)得樣品的光密度值（OD值）。代入蛋白質(zhì)含量標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算蛋白質(zhì)含量。標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作方法與蛋白質(zhì)的測(cè)定方法相同，將樣品替換成牛血清白蛋白標(biāo)準(zhǔn)溶液來(lái)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線[4，5]。

2.3.2 脂肪的測(cè)定

哥特里-羅紫法[4]。

2.3.3 pH值的測(cè)定

取20 mL樣品放置在50 mL玻璃燒杯中，水浴調(diào)整樣品的溫度為20 ℃，把數(shù)字pH計(jì)的探頭放入測(cè)定樣品液體中，待儀表盤數(shù)值穩(wěn)定后記錄pH值[5～6]。

2.3.4 膜通量的測(cè)定方法

乳清液體在攪拌的過(guò)程中，經(jīng)200 目濾網(wǎng)過(guò)濾，清液由離心泵高速泵入超濾系統(tǒng)，采用全回流操作

方式。超濾時(shí)調(diào)節(jié)溶液的進(jìn)口操作壓力，收集透過(guò)液體，每收集2 L透過(guò)液體記錄時(shí)間，以秒計(jì)。以時(shí)間的倒數(shù)作為膜通量的比較數(shù)值，單位為1/S[5，7]。

表1 主要儀器

2.3.5 數(shù)據(jù)分析與處理

采用SPSS 11.0統(tǒng)計(jì)分析軟件中的多重比較和EXCEL2003的單、雙因素方差分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同發(fā)酵pH值對(duì)乳清成分的影響

取50 kg乳清，分別在乳清的不同發(fā)酵時(shí)間段取樣，調(diào)整乳清的pH值分別達(dá)到5.7、6.0、6.5，采用60 ℃、5 min處理后，使用200 目過(guò)濾布對(duì)乳清過(guò)濾，分別測(cè)定乳清中的蛋白質(zhì)和脂肪含量。采用超濾膜（分子截流6 000 道爾頓），入口壓力采用0.1 MPa，流速控制在720 L/h，測(cè)定膜通量。

從圖1可以看出，隨著pH值由6.5下降到5.7，乳清中脂肪含量從0.50%逐漸下降到0.26%，然后隨著pH值的繼續(xù)降低，脂肪含量穩(wěn)定在0.30%左右。乳清的灰分含量變化趨勢(shì)與脂肪含量相反，隨著pH值由6.5降低到5.3，乳清中灰分含量在0.48%和0.52%之間波動(dòng)，當(dāng)pH值逐漸達(dá)到4.6后，灰分含量逐漸升高到0.64%。表2方差分析結(jié)果顯示，乳清中脂肪和灰分含量受pH值的影響是有統(tǒng)計(jì)意義的，且差異顯著。表3、4結(jié)果顯示，pH值在5.7～4.6之間時(shí)乳清中的脂肪含量差異不顯著，而在pH值為6.5、6.1時(shí)差異顯著，此時(shí)脂肪含量穩(wěn)定在0.30%左右。乳清的灰分含量在pH值為5.3～6.5之間差異不顯著，而當(dāng)pH值為4.6、4.9時(shí)，灰分含量逐漸升高到0.64%，且與pH值為5.3到6.5之間的乳清灰分含量相比是有顯著性差異的。

圖1 pH值對(duì)乳清中脂肪和蛋白質(zhì)含量的影響

表2 pH值對(duì)乳清中脂肪和灰分含量影響的方差分析（ANOVA）

表3 pH值對(duì)乳清中灰分影響的多重比較（Multiple Comparisons）

續(xù)表3 pH值對(duì)乳清中灰分影響的多重比較（Multiple Comparisons）

表4 pH值對(duì)乳清中脂肪含量影響的多重比較（Multiple Comparisons）

續(xù)表4 pH值對(duì)乳清中脂肪含量影響的多重比較（Multiple Comparisons）

3.2 不同熱處理溫度對(duì)乳清中蛋白質(zhì)和脂肪含量的影響

分別取50 kg乳清，采用50、55、60、72 ℃殺菌處理乳清5 min后，使用200 目過(guò)濾布對(duì)乳清過(guò)濾，檢測(cè)可溶蛋白成分和脂肪含量的變化。采用超濾膜（分子截流6 000道爾頓），壓力采用0.1 MPa，測(cè)定膜通量。

圖2表明，隨著熱處理溫度的升高，乳清蛋白含量逐漸從0.68%降低到0.64%，總體減少的絕對(duì)數(shù)量不大。由方差分析（表5）和多重比較分析（表6）結(jié)果可見(jiàn)，50℃和55 ℃熱處理后乳清蛋白的含量為0.68%左右，沒(méi)有顯著差異，而60、72 ℃殺菌處理乳清5 min后，乳清中的蛋白質(zhì)含量下降，且變化趨勢(shì)有顯著差異。對(duì)于脂肪來(lái)講，50、55、60℃處理脂肪變化不大，而當(dāng)熱處理溫度達(dá)到72 ℃時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分脂肪丟失，這與蛋白質(zhì)的減少是相關(guān)的，隨著熱處理強(qiáng)度的增加，乳清蛋白發(fā)生變性，部分脂肪同變性的乳清蛋白質(zhì)混合吸附在一起沉淀，導(dǎo)致脂肪的缺失。

圖2 熱處理溫度對(duì)乳清中蛋白質(zhì)和脂肪含量的影響

表5 熱處理溫度對(duì)乳清中蛋白和脂肪含量影響的方差分析（ANOVA）

表6 熱處理溫度對(duì)乳清中脂肪和蛋白含量影響的多重比較（Multiple Comparisons）

3.3 不同操作參數(shù)對(duì)乳清過(guò)濾截流效果研究

3.3.1 不同溫度對(duì)乳清通透性的影響

50 kg乳清經(jīng)粗過(guò)濾后，選擇15、20、25、30 ℃作為試驗(yàn)溫度，記錄乳清超濾過(guò)程中收集1 L乳清透過(guò)液所需要的時(shí)間，采用時(shí)間的倒數(shù)作為膜通量，單位是1/ s。試驗(yàn)結(jié)果表明（圖3），隨著環(huán)境溫度的升高，乳清的膜通量逐漸升高。溫度從12 ℃升高到30 ℃，膜通量升高了1.55 倍（圖4）。方差分析結(jié)果表明，在不同溫度條件下膜過(guò)濾的膜通量平均值有顯著差

異（表7）。不同操作溫度對(duì)超濾膜膜通量的影響多重比較表明，在15、20、25、30 ℃之間變化時(shí)，膜通量的變化是有效的（表8）。

圖3 不同溫度對(duì)超濾膜膜通量的影響

圖4 不同溫度對(duì)超濾膜膜通量的影響

3.3.2 不同pH值對(duì)膜通量的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明（圖5），隨著乳清pH值的升高，乳清的膜通量變化比較接近，且沒(méi)有顯著差異。方差分析結(jié)果表明，在不同pH值條件下膜過(guò)濾的膜通量平均值沒(méi)有顯著差異（表9）。由圖6可見(jiàn)，隨著超濾的進(jìn)行，不同pH值條件之間膜通量沒(méi)有太大的變化，乳清溶液透過(guò)液的分離速度隨著溶液中蛋白質(zhì)濃度的增加而緩慢下降。

3.3.3 濃縮倍數(shù)對(duì)膜通量的影響

選擇1、2、3 倍預(yù)先濃縮的乳清來(lái)測(cè)量膜通量的變化情況

（圖7），濃縮倍數(shù)的提高通常會(huì)造成乳蛋白在膜表面的沉積，引起膜通量的快速降低，不利于乳清的處理。當(dāng)乳清濃度升高2 倍的時(shí)候，膜通量下降了40%；當(dāng)乳清濃度升高達(dá)到3 倍時(shí)，膜通量下降了68%。超濾過(guò)程中，隨著截留液中固形物含量的增加，膜通量不斷減小，同時(shí)由于濃縮效應(yīng)截留液中蛋白質(zhì)濃度也在不斷增加。截留液中的蛋白質(zhì)濃度從0.87%增加到2.1%～3.0%，膜通量降低了3.12倍。在超濾過(guò)程中蛋白質(zhì)溶液的黏度會(huì)顯著增加，Sayed[8]等測(cè)試超濾大豆粕水提物時(shí)，固形物含量從4%增加到16%時(shí)，溶液的黏度增加了將近29 倍。所以隨著溶液黏度的增加，傳質(zhì)系數(shù)和物料在膜面的流速都會(huì)減小，物料流速減小又會(huì)導(dǎo)致湍流程度的減小，增加傳質(zhì)阻力，最終使得膜污染加劇，膜通量急劇降低。

表8 不同操作溫度對(duì)超濾膜膜通量影響的多重比較（Multiple Comparisons）

圖5 不同pH 值對(duì)膜通量平均值的影響

圖6 不同pH 值對(duì)膜通量的影響

表9 不同pH 值對(duì)膜通量平均值影響的方差分析ANOVA

3.3.4 進(jìn)料壓力對(duì)膜通量的影響

圖7 乳清起始濃度對(duì)膜通量的影響

圖8 乳清進(jìn)料壓力對(duì)膜通量的影響

隨著進(jìn)料的壓力升高（圖8），膜通量逐漸升高。當(dāng)乳清進(jìn)料表壓力分別為0.05、0.10、0.15 MPa時(shí)，膜通量分別升高11.0%、

20.0%、30.4%?？紤]到過(guò)高的操作壓力會(huì)降低膜面液體的流速，膜面的蛋白質(zhì)層堆積的比較致密，流速慢導(dǎo)致膜的污染速度增快，不利于系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，這從隨后的清洗時(shí)間延長(zhǎng)也得以證明，所以一般處理壓力不會(huì)超過(guò)0.10 MPa。

4 結(jié)論

4.1 不同發(fā)酵工藝和時(shí)間導(dǎo)致乳清有不同的pH值，不同的pH值對(duì)乳清中成分變化是有影響的。隨著pH值降低到5.7，脂肪含量從0.50%逐漸下降到0.26%，隨著pH值的繼續(xù)降低，脂肪含量穩(wěn)定在0.30%左右。隨著pH值降低到5.3，灰分含量在0.48%和0.52%之間波動(dòng)，當(dāng)pH值逐漸達(dá)到4.9后，灰分逐漸升高到0.64%。

4.2 采用50、55、60、72 ℃殺菌處理乳清5 min，隨著熱處理溫度的升高，乳清蛋白的含量逐漸從0.68%降低到0.64%，總體減少的絕對(duì)數(shù)量不大。對(duì)脂肪來(lái)講，在50、55、60 ℃處理時(shí)脂肪含量變化不大，而當(dāng)熱處理溫度達(dá)到72 ℃時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分脂肪丟失，這與蛋白質(zhì)的減少是相關(guān)的。隨著熱處理強(qiáng)度的增加，乳清蛋白質(zhì)發(fā)生變性，部分脂肪同變性的乳清蛋白混合在一起沉淀，導(dǎo)致脂肪的缺失。

4.3 隨著環(huán)境溫度的升高，乳清的膜通量逐漸升高。從12 ℃升高到30 ℃，膜通量升高了1.55 倍。

4.4 隨著乳清的pH值的升高，乳清的膜通量變化比較接近，沒(méi)有顯著的差異。乳清濃縮倍數(shù)的提高，通常會(huì)造成乳蛋白在膜表面的沉積，引起膜通量的快速降低，不利于乳清的處理。當(dāng)乳清濃度升高2 倍時(shí)，膜通量下降了40%；當(dāng)乳清濃度升高達(dá)到3 倍時(shí)，膜通量下降了67%。超濾過(guò)程中，隨著截留液中固形物含量的增加，膜通量不斷減小，截留液中蛋白質(zhì)濃度也在不斷增加，蛋白質(zhì)濃度從0.87%增加到2.1%～3.0 %，膜通量減小了3.12 倍。

4.5 隨著進(jìn)料壓力升高，膜通量逐漸升高。以表壓為0作為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)乳清進(jìn)料表壓力分別為0.05、0.10、0.15 MPa時(shí)，膜通量分別升高11.0%、20.0%、30.4%。

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海關(guān)助力3 805 頭澳大利亞奶牛順利抵達(dá)山東淄博

【本刊輯】日前，山東得益乳業(yè)股份有限公司迎來(lái)了一批“特殊海外客人”——來(lái)自澳大利亞的3 805 頭純種荷斯坦青年母牛順利抵達(dá)淄博。

因活畜長(zhǎng)時(shí)間滯留港口存在滋生疾病和食料供應(yīng)不足等風(fēng)險(xiǎn)，淄博海關(guān)接到企業(yè)申請(qǐng)后，當(dāng)天即為這批“特殊客人”辦理了減免稅擔(dān)保手續(xù)。企業(yè)憑擔(dān)保證明到港口順利辦結(jié)通關(guān)手續(xù)，保證了活畜通關(guān)安全、通暢。此次是近年來(lái)淄博海關(guān)辦理的首筆種用奶牛減免稅審批業(yè)務(wù)，也是淄博市近年來(lái)單次引進(jìn)種牛數(shù)量最多的一次。

Effects of Different Treatment Parameters on the Physical and Chemical Properties of Whey and the Flux of Ultrafiltration Membrane

TENG Guo-xin1，YU Rui-hong2
（1 Beijing City University；2 Xinjiang Rui Yuan Dairy Co.，Ltd.）

Whey is a by-product of cheese production，the production of 1 ton of cheese can produce 9 tons whey. Whey contains precious whey protein，the direct discharge of sewage treatment，not only caused waste of resources，increased costs，but also caused the environmental pollution seriously. The processing and utilization of whey has become an urgent problem to be solved as soon as possible. The effect of milk processing parameters on the physicochemical properties of whey has not been studied in detail. Through this research，we explored the appropriate methods of whey treatment to meet the domestic demand for whey protein. The research found that different fermentation process and time led to different pH values of whey，the changes in the composition of whey were affected by different pH values. With the increase of heat treatment temperature，the content of whey protein decreased from 0.68% to 0.64%. Heat treatment had little effect on fat. With the increase of whey pH，the membrane flux change of whey was close to no significant difference. In the ultrafiltration processing，with entrapped liquid solid content increased，membrane flux decreases，the interception liquid protein concentration also increased，protein concentration from 0.87% increased to 2.10%～3.00%，membrane flux decreased 3.12 times.

whey treatment；processing parameters；membrane flux

2015年北京市民辦教育發(fā)展促進(jìn)項(xiàng)目---北京城市學(xué)院市級(jí)校外基地與實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)項(xiàng)目】

滕國(guó)新（1972-），男，博士，教授，從事嬰兒配方奶粉、酸奶、奶酪的研發(fā)工作。

2016-06-24）