膜分离技术在乳品行业中的应用
一、牛乳中的主要成分和占比如何？
1.水（占比约86%～90%）
图1-水
2.蛋白质（占比约2.8%～3.3%）
牛乳中蛋白质含量为2.8%～3.3%，主要由79.6%的酪蛋白、11.5%的乳清蛋白和3.3%的乳球蛋白组成，另有少量的其他蛋白质，如免疫球蛋白和酶等。
图2-牛乳
（1）酪蛋白
凡在20℃下于pH4.6沉淀的牛乳蛋白被称为酪蛋白。酪蛋白是一种耐热蛋白质，但可在酸性条件下沉淀，酸奶和奶酪就是以这个原理制成的。
图3-奶酪
（2）乳清蛋白
乳清蛋白对热不稳定，加热时发生凝固并沉淀。牛乳蛋白质消化吸收率为87%～89%，属于优质蛋白质。
图4-乳清蛋白粉
3.脂肪（占比约2.8%～4.0%）
乳类脂肪约为2.8%～4.0%，以微粒状的脂肪球分散在乳液中，呈很好的乳化状态，容易消化吸收，吸收率高达97%。
图5-含有脂肪与蛋白质等的“奶皮”
4.碳水化合物——乳糖（占比约3.4%～5.4%）
乳类碳水化合物主要为乳糖，牛乳乳糖含量约为3.4%～5.4%。乳糖在肠道中能促进钙、铁、锌等矿物质的吸收，提高其生物利用率；能促进肠道乳酸细菌，特别是双歧杆菌的繁殖，能够改善人体微生态平衡，促进肠细菌合成B族维生素。
图6-乳糖
5.矿物质（占比约0.7%～0.75%）
牛乳中矿物质含量约为0.7%～0.75%，富含钙、磷、钾、硫、镁、钠等常量元素及铜、锌、锰等微量元素。
图7-牛乳中的矿物质与维生素
6.维生素
牛乳中几乎含有人体所需的各种维生素，其含量与饲养方式、季节、加工方式等有关。
7.其他生理活性物质
牛乳中还有大量的生理活性物质，其中较为重要的有乳铁蛋白、免疫球蛋白、生物活性肽、共轭亚油酸、酪酸、激素、生长因子和多种活性肽类等。
二、国内外乳品行业将膜分离技术工业化的情况如何？
从20世纪70年代开始，国外就已经将超滤膜技术和反渗透膜技术应用于乳品行业中，国外将膜分离技术运用于食品产业最先就是以乳制品生产加工开始的，到1983年时，绝大多数产奶国家都有了用于牛奶和乳清加工的工业化膜过滤设备。
如今，发达国家的乳品工业已非常普遍地应用了膜分离技术，且不断地改进该技术以继续扩大其应用范围。在我国，乳品加工应用膜分离技术尚有很大的发展空间，尽管我国乳品工业近年来发展较快，但国内人均乳制品消费量还较低，膜过滤方面少有深加工产品，因此全行业大规模地应用暂时比较少见。
未来，随着我国人民生活水平的不断提高，国内对乳品的需求量必然增加，大家对乳制品的质量和种类也会提出更高更多的要求，所以膜分离技术在乳品领域的潜在市场很大，工业化应用将更加广泛。
图8-乳品行业专用食品级卷式膜
三、膜分离技术在乳品行业的具体应用有哪些？
牛乳成分中各种物质的粒径大小不同，是进行膜分离过程的理想液体。
图9-牛乳中主要成分的粒径大小
1.微滤膜分离脂肪球
牛乳中的脂肪球粒径约在2～15μm不等，可以采用微滤膜进行分离。国外已经有报道显示：可以通过微滤陶瓷膜实现不同大小粒径的脂肪球分离。我们知道均质机也可以改变脂肪球的粒径，但是均质机在改变脂肪球粒径大小的同时，也改变了脂肪球的界面组成，它会使乳脂肪中由乳磷脂和膜蛋白组成的原始天然膜变成由酪蛋白和乳清蛋白组成的膜。而微滤膜分离技术就可以有效避免这一情况，微滤陶瓷膜可以在不改变脂肪球界面的情况下，将脂肪球分成大大小小的粒径，以满足乳品生产的稳定化、多样化需求。
图10-同舟纵横陶瓷膜
2.微滤膜除菌
牛乳加工中最常见的杀菌方式有两种，一种是热加工杀菌，另一种是巴氏杀菌。热加工生产出来的牛乳叫做“UHT奶”，这种牛奶虽然具有较长的保质期，但是由于加工温度很高，许多活性营养物质在这个过程中都尽数损失。经巴氏杀菌法生产出来的牛乳叫做“巴杀奶”，这种牛奶虽然保留了绝大多数的活性营养物质，但是其保质期也非常之短，一般小于10天。
图11-牛奶
为了解决上述两种工艺中存在的突出问题，膜分离技术再一次展现了其独特的优势。利用微滤膜对牛乳中的细菌等进行拦截，其余营养物质及水分透过膜，即可在避免高温加工的前提下生产出“ESL奶”（延长保质期牛奶），这种牛奶在4℃下的保质期可达21天。
图12-同舟纵横全资子公司海加尔陶瓷膜样品
除此之外，微滤膜不仅拦截了牛乳中的细菌，还拦截了牛乳中的体细胞，这使得牛奶的品质变得更好。在微滤膜除菌工艺中，常常将膜分离技术和巴氏杀菌工艺配合进行生产，这将使得牛乳中微生物的数量远低于检测限。
图13-微滤膜除菌基础工艺（结合巴杀）
3.超滤膜分离酪蛋白和乳清蛋白
牛奶中的酪蛋白（CN）和乳清蛋白（WP）具有显著不同的加工特性，比如他们的耐热性和凝胶性都不相同，因此在乳品行业中二者经常被分离开来，用做不同的食品加工基料。分离出的酪蛋白（CN）可进一步生产制得酪蛋白粉（CNN），用于干酪生产和高蛋白功能性饮料加工。分离出的乳清蛋白（WP）可进一步生产制得乳清蛋白粉（WPC），用于婴幼儿配方奶粉等的生产。
图13-酪蛋白与乳清蛋白
酪蛋白主要包括 αs1-CN、αs2-CN、β-CN、κ-CN这四种不同的单体，这些单体通过多种相互作用聚集成了一个个粒径在110nm左右的酪蛋白胶束分散在牛乳中。同样，乳清蛋白也并非单一组分，乳清蛋白包括α-La（α-乳白蛋白）、β-Lg（β-乳球蛋白）等，粒径大约在3～8nm。我们可以根据蛋白粒径的差异，选择合适的超滤膜对酪蛋白和乳清蛋白进行分离。
图14-同舟纵横陶瓷膜
4.超滤膜浓缩乳清蛋白
浓缩乳清蛋白（WPC）是一种功能性乳蛋白配料，它广泛应用于食品工业，可增强免疫功能 、有利于心血管系统的健康 、有利于健壮肌肉和增强体力、改善精神面貌、增强骨骼 、为乳糖不耐症以及酪蛋白和谷蛋白过敏者提供优质蛋白 、能减少皮肤皱纹和老化、促进伤口愈合等。
图15-乳清蛋白浓缩粉
原料乳经过巴氏杀菌和脂肪分离工艺后，进入合适孔径的超滤膜分离系统，乳糖、水和矿物质等小分子物质透过膜形成透析液被除去，而大分子蛋白则被膜截留形成浓缩液。超滤膜浓缩液一部分经降温冷却打去灌装，即生产制得了超滤牛奶；另一部分经蒸发浓缩和喷雾干燥，即生产制得了浓缩乳清蛋白粉。
图16-超滤膜浓缩乳清蛋白基础工艺
5.纳滤膜乳清脱酸、脱盐（脱矿）
牛乳中富含脂肪、乳糖、蛋白、乳酸、矿物质等，其中乳酸和矿物质对部分产品的影响较大，例如婴幼儿配方食品和烘焙食品就需要已脱除乳酸和矿物质的牛乳。
图18-婴幼儿配方奶粉
（1）乳清脱酸
当我们选用合适孔径的纳滤膜，在较优工况下对牛乳进行过滤，就可以脱除50%左右的乳酸，截留95%左右的乳糖，在脱酸的同时实现了乳糖的高收率浓缩富集。
图18-乳酸
（2）乳清脱盐（脱矿）
脱盐乳清粉对婴幼儿来说意义重大，矿物质含量高将会增加婴幼儿的肾脏负担。牛乳经纳滤膜分离，其中Ca2+、Mg2+、PO43-的透过率约在24%～50%之间，单价阳离子Na+、K+的透过率约在64%～91%之间，因此选择合适过滤孔径的纳滤膜和正确的操作条件，可以实现乳清脱盐（脱矿）。
图15-同舟纵横卷式膜
6.反渗透膜牛乳浓缩
目前国内乳品行业中牛乳的浓缩通常采用多效蒸发法，这种方法能耗高，较长时间的高温加热也会破坏牛乳中的部分营养成分。采用反渗透膜分离工艺可在常温甚至低温下浓缩牛乳，能达到节能和防止营养成分被破坏的目的。我国牧区幅员广，产奶地点相对分散，交通不便，给鲜奶运输带来很大困难，如果能就地用膜分离技术加工或经浓缩后集中加工，可大大减少损耗，节省运输费用。
图16-牛奶运输
用反渗透膜浓缩牛乳，可明显降低运行成本，提升乳品的综合使用率，吨水能耗远低于蒸发工艺。牛乳膜浓缩设备运行操作简单，自动化程度高，对环境污染小，具有很高的分离效率，是当下和未来将更广泛应用的一种生产工艺。
图17-同舟纵横卷式膜
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