膜技術(shù)在乳制品工業(yè)中的應(yīng)用前景

張 琦，張明科

（恩施職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北恩施 445000）

“膜技術(shù)”是通過(guò)使用特定的半透膜過(guò)濾器，通過(guò)選擇性地允許一些化合物通過(guò)而阻礙另一些化合物通過(guò)，將一種液體濃縮或分餾成兩種不同成分的液體。能通過(guò)膜的液體稱為“滲透液”，保留的液體稱為“濃縮液”。膜的效率在很大程度上取決于跨膜的靜水壓力梯度和液體的濃度梯度，而在少數(shù)情況下電勢(shì)起重要作用（徐金濤等，2019）。牛奶對(duì)人類是最好、最理想、最完整的食物之一，在飲食中占有重要地位，特別是對(duì)于素食者。膜技術(shù)自20 世紀(jì)60 年代初開(kāi)始應(yīng)用于乳品行業(yè)，目前僅次于水處理技術(shù)，成為更傳統(tǒng)的乳品加工如蒸餾、蒸發(fā)或萃取的可行替代方法。在乳制品工業(yè)中，約2/3 的膜面積用于乳清的處理，約1/3 用于牛奶，而在目前的情況下，不同類型的膜分離技術(shù)如超濾和反滲透正用于乳品行業(yè)（黎海濤，2016）。

膜過(guò)濾技術(shù)的使用為消費(fèi)者和生產(chǎn)者提供了廣泛優(yōu)勢(shì)。膜技術(shù)是一種新型的非熱環(huán)境友好型綠色技術(shù)，具有極大的發(fā)展?jié)摿?，可以最大限度地減少溫度對(duì)產(chǎn)物的相位變化、蛋白質(zhì)變性和感官屬性變化等不利影響。膜可去除對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有負(fù)面影響的有害成分，如微生物、藥物或沉淀物，使最終產(chǎn)品在質(zhì)地上更具吸引力，并延長(zhǎng)其保質(zhì)期。膜的選擇性非常高，這是由于其獨(dú)特的作用機(jī)制，如離子交換、溶液擴(kuò)散等。由于其緊湊的設(shè)計(jì)和極低的維護(hù)成本，該膜適用于不同類型的工廠。同時(shí)膜的操作也非常簡(jiǎn)單，具有競(jìng)爭(zhēng)力，不需要任何專業(yè)知識(shí)來(lái)處理或操作它們。

1 膜的特點(diǎn)

微濾是一種膜分離過(guò)程，類似于超濾，但膜孔更大，允許0.2 ～2 μm 的顆粒通過(guò)，其所使用的壓力一般低于超濾。微濾膜尤其適合分離0.1 ～10.0 μm 的尺寸，而1 ～100 nm 的超濾膜用來(lái)提供高保留蛋白質(zhì)和其他大分子（Van Reis等，2007）。超濾是一種流體靜壓作用下液體對(duì)半透膜過(guò)濾的方法，高分子量的懸浮物和溶質(zhì)被保留，而水和低分子量的溶質(zhì)則通過(guò)膜，這是一個(gè)分離/ 分餾過(guò)程。納米過(guò)濾是一種反滲透膜，其結(jié)構(gòu)較為開(kāi)放，允許一價(jià)離子通過(guò)膜，并在很大程度上排斥二價(jià)離子。反滲透是一種以非常致密的膜為基礎(chǔ)的高壓膜過(guò)濾工藝，其孔徑非常小，只允許少量的非常低分子量的溶質(zhì)通過(guò)膜（李銀和張林，2018）。

2 膜在乳制品工業(yè)中的應(yīng)用

在現(xiàn)代乳品加工中，膜在牛奶澄清、提高所選組分的濃度及從牛奶或乳制品副產(chǎn)品中分離出特定的有價(jià)值組分等方面起重要作用。膜分離技術(shù)似乎是牛奶分餾的合理選擇，因?yàn)樵S多牛奶成分可以按尺寸分離。在加工乳清過(guò)程中已經(jīng)建立了良好的膜，并在其他乳制品應(yīng)用中越來(lái)越受歡迎。膜技術(shù)通過(guò)降低生產(chǎn)成本和產(chǎn)生新的收入來(lái)提高乳制品的經(jīng)濟(jì)效益。在乳品工業(yè)中，膜技術(shù)被證明是一種經(jīng)濟(jì)的替代方法，可以替代許多重要的牛奶加工階段，如離心、除菌、蒸發(fā)、乳清脫礦等（Pouliot，2008）。二氧化碳輔助冷式微濾工藝對(duì)乳制品行業(yè)具有潛在的經(jīng)濟(jì)吸引力，對(duì)乳制品的質(zhì)量和貨架期有直接好處，微濾會(huì)排斥脂肪和微生物，同時(shí)允許其他牛奶成分通過(guò)膜，從而產(chǎn)生無(wú)脂肪、無(wú)細(xì)菌的牛奶，而反滲透膜面積穩(wěn)定在60000 m2左右，主要用于乳清濃縮（Saxena 等，2009）。

2.1 延長(zhǎng)牛奶貨架期 延長(zhǎng)貨架期奶制品是一種經(jīng)過(guò)特殊處理以減少微生物數(shù)量的產(chǎn)品，在極端的衛(wèi)生條件下包裝，在冷藏條件下延長(zhǎng)貨架期。微濾是一種替代熱處理的方法，可以減少細(xì)菌數(shù)量，提高乳制品的微生物安全性，同時(shí)對(duì)保持口感方面具有重要的作用。它是一種非熱的方法，可以清除牛奶、乳清和奶酪鹵水中的細(xì)菌和孢子，延長(zhǎng)貨架期，而不損害感官屬性。低溫微濾還可以減少微生物對(duì)膜的污染，阻止嗜熱孢子的萌發(fā)。通過(guò)對(duì)膜結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和組成的適當(dāng)修改，有可能使牛奶不含細(xì)菌。在延長(zhǎng)貨架期牛奶的生產(chǎn)過(guò)程中涉及熱處理或熱處理與膜過(guò)濾的結(jié)合（Fristch 和Moraru，2008）。

體細(xì)胞計(jì)數(shù)在患有乳腺炎的哺乳期奶牛的牛奶中增加，嚴(yán)重影響牛奶組成和質(zhì)量。采用微濾和高熱處理相結(jié)合的方法可以使體細(xì)胞數(shù)量減少100%（Sharma 等，2012），其報(bào)道微濾和高熱處理的聯(lián)合應(yīng)用，在不影響感官屬性的情況下，通過(guò)減少嗜冷菌的數(shù)量，將8℃冷藏的牛奶貨架期從12 d 延長(zhǎng)到18 d。微濾過(guò)程在去除細(xì)菌和孢子方面比離心除菌更有效。

2.2 乳清加工 乳清是一種乳制品的副產(chǎn)品，是在乳制品制備過(guò)程中產(chǎn)生的，即奶酪、奶酪糊和酪蛋白。在發(fā)展中國(guó)家乳清被簡(jiǎn)單地抽干，導(dǎo)致寶貴的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量流失，并造成環(huán)境污染。用傳統(tǒng)方法分離或濃縮乳清營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)既繁瑣又費(fèi)時(shí)，而通過(guò)應(yīng)用不同膜過(guò)濾技術(shù)，對(duì)具有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的乳清進(jìn)行濃縮，可以純化到有價(jià)值的產(chǎn)品，如乳清濃縮蛋白。通過(guò)應(yīng)用超濾和滲透，乳清濃縮蛋白的蛋白質(zhì)含量可以增加35% ～85% 的總固體量，而通過(guò)微濾可以消除細(xì)菌和脂肪，使乳清分離蛋白的蛋白質(zhì)含量可以增加90% 的總固體含量（Lipnizki，2010）。

細(xì)菌和孢子的膜分離可產(chǎn)生高質(zhì)量的乳清蛋白濃縮物和乳清蛋白分離物，它們具有乳清固有的功能特性，因?yàn)樗苊饬巳榍寤虻鞍椎淖冃浴＿@些乳清蛋白因其較高的生物學(xué)價(jià)值和改善食品功能特性（乳化、發(fā)泡和凝膠化）的能力而被用于食品工業(yè)。利用高效的膜功能從乳清中去除盡可能多的脂質(zhì)，生產(chǎn)出具有良好保質(zhì)性的乳清蛋白濃縮物。目前，超濾膜已在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用，但膜的污染仍然是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。在這些乳清產(chǎn)品中，由于脂質(zhì)雜質(zhì)導(dǎo)致酸敗而產(chǎn)生的異味仍然是人們關(guān)注的主要問(wèn)題。有研究表明，通過(guò)熱鈣沉淀去除乳清中的殘余脂肪，在50℃下將磷脂通過(guò)鈣進(jìn)行熱處理8 min，然后用微濾和反滲透去除沉淀（Gesan 等，1995）。微濾技術(shù)的進(jìn)步可通過(guò)分離跨膜壓力和限制污垢的入口壓力來(lái)直接去除脂蛋白變得更加容易。與傳統(tǒng)的甜奶酪乳清相比，利用膜技術(shù)具有更高的功能特性。天然乳清蛋白濃縮物和天然乳清分離物是由反滲透濃縮的天然乳清生產(chǎn)的，在干燥過(guò)程中表現(xiàn)出良好的膠凝性、發(fā)泡性和可重構(gòu)性（Ostergaard，2003）。

2.3 反滲透在奶酪生產(chǎn)上的作用 反滲透技術(shù)在奶酪加工中是高回報(bào)的，因?yàn)樗鼘⑴Ｄ虧饪s1.2 ～2.0 倍，并增加了酪蛋白與蛋白質(zhì)比例，減少了對(duì)加工設(shè)備的要求，提高了奶酪的成分和質(zhì)量控制，提高了奶酪產(chǎn)量（Johnson 和Lucey，2006）。有報(bào)道稱，與傳統(tǒng)工藝相比，反滲透法在制備奶酪過(guò)程中可節(jié)省13%～14%的脫脂牛奶，通過(guò)應(yīng)用反滲透技術(shù)去除牛奶濃縮過(guò)程中的水分，可以制作出不含乳清的奶酪，從而不需要使用奶酪桶，避免去除乳清和排放乳清的繁瑣處理步驟（Pedersen 和Ottosen，1992）。反滲透法在用酸化凝乳制取新鮮奶酪方面效果不佳，因?yàn)橛眠@種傳統(tǒng)的膜處理高酸性牛奶比較困難。發(fā)酵前pH升高，感官屬性變差，蛋白水解和礦物質(zhì)含量增加。

2.4 微濾技術(shù)在奶酪生產(chǎn)上的作用 由于微濾技術(shù)對(duì)酪蛋白濃縮乳在去除牛奶中的細(xì)菌和孢子后所獲得的優(yōu)良的微生物質(zhì)量，以及對(duì)牛奶中不同主要成分的優(yōu)化，因此非常適合各種奶酪的制備。奶酪牛奶的微濾預(yù)處理可以提高凝乳的硬度，加速成熟，減少添加劑如氯化鈣的數(shù)量，促進(jìn)高溫耐受性（Schafroth 等，2005）。微濾技術(shù)在干酪牛奶蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)化和酪蛋白膠束粉強(qiáng)化方面具有可能性。高溫處理后的微濾比單級(jí)離心除菌在微生物質(zhì)量方面更高效。但這種先通過(guò)微濾處理再通過(guò)高溫加熱處理的方法改變了凝血酶凝，并增加了持水能力，因此在奶酪制備過(guò)程中需要調(diào)整參數(shù)（Pedersen 和Ottosen，1992）。

3 膜技術(shù)在乳蛋白和乳脂肪加工方面的應(yīng)用

3.1 乳蛋白生產(chǎn) 牛奶蛋白尤其是酪蛋白在牛奶的白色渾濁外觀和黏度中起重要作用。應(yīng)用超濾技術(shù)在不添加任何外來(lái)蛋白源的情況下，通過(guò)去除水分來(lái)調(diào)整牛奶中的蛋白質(zhì)含量，保持牛奶的成分、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、理化性質(zhì)和感官屬性。在脫脂牛奶中加入1% 超濾蛋白強(qiáng)化牛奶可改善其黏度和感官特性，與全脂牛奶相似。利用膜技術(shù)從牛奶中分離出不同大小的各種牛奶成分，將使乳品行業(yè)非常高效，也提升了乳品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。Jimenez-Lopez 等（2008）認(rèn)為，膜孔徑均勻性、濃差極化現(xiàn)象和膜污染是決定牛奶組分分餾的主要因素。牛奶蛋白濃縮物和牛奶濃縮物越來(lái)越多地使用微濾技術(shù)，這些產(chǎn)品的成分、熱穩(wěn)定性、流變學(xué)和結(jié)構(gòu)特性取決于所使用的薄膜類型和主要的加工條件，如溫度、pH、加工時(shí)間等。為了從乳制品廢料中回收有價(jià)值的蛋白質(zhì)成分，人們做了大量工作。乳蛋白是有價(jià)值的產(chǎn)品，被用作高價(jià)值的食品添加劑、中和劑和治療藥物。

3.2 乳脂肪生產(chǎn) 傳統(tǒng)上，奶油和全脂牛奶通過(guò)能量密集型離心分離，其中較輕的脂肪球向中心移動(dòng)，較重的脫脂牛奶在離心力作用下向外圍移動(dòng)。通過(guò)節(jié)能膜分離技術(shù)，在不損傷脂肪球狀膜的前提下，生產(chǎn)出貯存質(zhì)量好、感官性狀優(yōu)良的脫脂乳。Goudedranche 等（2000）報(bào)道，應(yīng)用膜可以分離2 μm 的脂肪小球，而脂肪球的大小對(duì)奶油質(zhì)地和感官屬性有顯著影響，因?yàn)橹厩蜉^小的奶油比脂肪球較大的奶油質(zhì)地更好，風(fēng)味更好。

3.3 牛奶的脫鹽或脫礦 從乳清中去除礦物質(zhì)會(huì)增加其價(jià)值。奶酪乳清富含鹽和酸，在使用前必須減少或去除礦物質(zhì)，以減輕對(duì)環(huán)境的危害。脫礦是通過(guò)電滲析和離子交換過(guò)程實(shí)現(xiàn)的，可使礦物質(zhì)減少60%（Greiter 等，2002）。電滲析的效率可以通過(guò)反滲透或蒸發(fā)預(yù)先濃縮20% 的干物質(zhì)來(lái)提高，而乳清的脫鹽是通過(guò)離子交換柱完成，離子去除率取決于柱中使用的樹(shù)脂及離子類型。樹(shù)脂再生需要大量的水和化學(xué)物質(zhì)，因此這是該技術(shù)的主要局限性。分子量在200 ～1000道爾頓的納米濾膜最適合用于乳清脫礦，因?yàn)檫@些膜能滲透鹽和單價(jià)離子，但不能滲透有機(jī)化合物。在普遍的酸性條件下，有機(jī)化合物的羧基與膜結(jié)合，這項(xiàng)技術(shù)在濃縮的同時(shí)去除乳清中的礦物質(zhì)，有助于節(jié)省成本、時(shí)間和水的處理（赫晨宇等，2018）。

4 結(jié)論與展望

膜技術(shù)在乳品科學(xué)中的引入不僅對(duì)乳品行業(yè)，而且對(duì)膜行業(yè)都產(chǎn)生了互惠互利的現(xiàn)象。膜技術(shù)的應(yīng)用不僅使現(xiàn)有的高產(chǎn)乳制品在營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和感官屬性上有了顯著提高，而且使幾種新型乳制品的開(kāi)發(fā)成為可能。但目前乳品生產(chǎn)過(guò)程中由于污染引起的通量急劇下降，膜的容量相對(duì)較低，而且由于控制污染需要較高的橫流速度，生產(chǎn)過(guò)程對(duì)能量的要求也比較高。此外，污垢的控制方法也增加了設(shè)備和操作的復(fù)雜性。除了污染外，選擇性也是膜分離的一個(gè)重要問(wèn)題。因此我們需要開(kāi)發(fā)便宜、容易獲得、優(yōu)質(zhì)和持久的膜。