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    膜技術在液態(tài)奶、酸奶中的應用研究進展

    2023-04-23 03:38:30曹華傳許秋莉龍芷姣王玫玫劉端黃敏
    食品工業(yè) 2023年4期
    關鍵詞:液態(tài)奶膜技術牛乳

    曹華傳,許秋莉,龍芷姣,王玫玫,劉端,黃敏

    深圳市晨光乳業(yè)有限公司(深圳 518000)

    牛乳是一種多組分的流體,富含蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、維生素等營養(yǎng)素,牛乳中的活性物質(zhì)具有增強機體免疫力,促進生長發(fā)育的功能,被譽為“白色血液”[1]。牛乳中的免疫球蛋白、乳鐵蛋白、β-乳球蛋白等活性物質(zhì)多為熱敏性物質(zhì),熱處理溫度過高,牛乳的營養(yǎng)價值得不到利用[2-3]。膜技術的出現(xiàn)為優(yōu)質(zhì)巴氏殺菌乳的生產(chǎn)提供技術基礎。膜具有良好的分離能力、截留能力,膜的高效截留能力可有效截留牛乳中的細菌,降低初始帶菌數(shù),有效降低牛乳加工的殺菌熱負荷,最大限度保留牛乳營養(yǎng),改善高溫滅菌帶來的口感和色澤的變化[4],可以替代傳統(tǒng)乳品生產(chǎn)中的高溫蒸發(fā)濃縮、離心分離、高溫滅菌等工藝,被廣泛應用于乳制品加工,如奶酪、蛋白粉的生產(chǎn)[5]。對膜技術在液態(tài)奶和酸奶生產(chǎn)中的應用情況進行討論。

    1 膜技術的分類

    膜技術是以一定的壓力為動力來源,以膜為過濾介質(zhì),選擇性地讓部分物質(zhì)通過膜組件成為滲透液,截留部分成為截流液,從而達到溶液組分分離和濃縮的目的。

    按膜孔徑大小可分為微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)、反滲透(RO)4類。微濾是微米級過濾,在乳品加工中常用于牛乳的除菌,超濾是應用最廣泛的膜技術,用于截留大分子及不同組分的分離,納濾和反滲透是納米級過濾,納濾用于離子的截留,反滲透膜只有水分子能夠通過,常用于溶液的濃縮。4種膜技術分離范圍如圖1所示。

    圖1 4種膜分離范圍示意圖

    膜元件是膜系統(tǒng)的核心部分,按形狀可分為卷式膜、管式膜、板框式膜、中空纖維膜,其中又以卷式膜、管式膜在乳制品行業(yè)應用最廣泛[6]。膜芯材質(zhì)決定膜組件的進料要求,如表1所示,不同的膜芯對pH、溫度的耐受能力不同,無機膜耐受pH、溫度范圍最廣,使用時間長,耐受溫度可到70 ℃。有機膜大部分是常溫膜,耐受溫度低于45 ℃[7],使用生命周期短,成本較低。

    表1 不同膜技術膜材質(zhì)及進料要求

    相對而言,有機膜所用的膜材料材質(zhì)來源更廣泛,多為有機高分子聚合物,取材容易,單位膜面積制造成本低廉,占膜市場份額80%以上。陶瓷膜占據(jù)無機膜應用的大部分份額,這種以氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦等為材料的陶瓷膜具有耐高溫、耐酸堿、機械強度強、抗污染能力強、膜通量大、重復性好的優(yōu)點,但單位造價和運行能耗較高。

    2 膜技術在液態(tài)奶生產(chǎn)中的應用

    2.1 在液態(tài)奶中的應用

    通常巴氏滅菌乳滅菌條件為72~80 ℃、15 s,這個熱條件可以殺滅致病菌、體細胞及大部分的細菌[8],較好保留牛乳原始香味、色澤及一定活性蛋白[9]。低溫處理有利于活性物質(zhì)的保留,根據(jù)T/TDSTIA004—2019《優(yōu)質(zhì)巴氏殺菌乳》,在熱處理條件72~80 ℃、15 s下(HTST),滿足乳鐵蛋白≥25 mg/L,免疫球蛋白≥200 mg/L、β-乳球蛋白≥2 200 mg/L[10]。研究表明,HTST處理有利于保留活性物質(zhì)。Lorenzen等[11]將牛乳經(jīng)HTST處理,β-乳球蛋白含量在3 302~4 745 mg/L。劉海燕[12]研究表明,β-乳球蛋白在85 ℃、15 s條件下變性率達37.7%,乳鐵蛋白損失率約76%,而75 ℃、15 s熱處理條件下,前者只有5.8%發(fā)生變性。免疫球蛋白變性溫度80 ℃,而經(jīng)75 ℃、15 s處理,變性率只有9.3%[13]。然而HTST處理強度不能使芽孢桿菌熱休克形成孢子,達不到巴氏滅菌乳的保質(zhì)期要求。

    膜技術的應用很好地化解了兩者的矛盾,平衡營養(yǎng)和保質(zhì)期的需求。在液態(tài)奶生產(chǎn)領域應用最廣泛的膜技術是微濾,通過微濾膜的截留,降低牛乳帶菌數(shù),進行HTST處理,研究表明,微濾具有極佳的除菌效果。孔凡丕[14]利用1.4 μm的陶瓷膜過濾脫脂乳,最佳工藝條件下,細菌和芽孢截留數(shù)量級分別為(3.471±0.232)log和(2.079±0.206)log。任憲峰等[15]通過陶瓷膜除菌試驗表明,陶瓷膜的除菌率可達99.86%。微濾技術高效除菌的同時,并不會改變過濾后牛乳中蛋白質(zhì)的成分[16]。國外研究報道經(jīng)陶瓷膜過濾的牛乳,14 d內(nèi)蛋白質(zhì)成分沒有發(fā)生變化[17]。

    優(yōu)異的除菌效果保證鮮奶的保質(zhì)期及營養(yǎng)需求,隨著技術發(fā)展,膜技術與低溫殺菌的串聯(lián)結合已逐漸商業(yè)化,北京三元食品股份有限公司在國內(nèi)首先整合微濾除菌和72 ℃低溫殺菌技術,推出極致ESL低溫鮮牛乳[18]。隨著膜技術的應用,近幾年各大頭部乳企陸續(xù)推出應用膜技術的鮮奶產(chǎn)品。

    膜技術提高鮮奶品質(zhì)的同時,在UHT奶領域也嶄露頭角,UHT奶有更長的保質(zhì)期要求,通常達到6個月,然而牛乳中的嗜冷菌產(chǎn)生的脂肪酶、蛋白酶、纖溶酶具有耐高溫性,超高溫滅菌并不能完全使耐高溫酶失去活性,在貨架期內(nèi)會分解蛋白質(zhì)和脂肪,造成產(chǎn)品質(zhì)量下降[19]。膜技術的應用能顯著改善UHT奶的這些問題。D’Incecco等[20]將經(jīng)微濾處理后的原料乳生產(chǎn)UHT奶,顯著延遲UHT奶凝膠顆粒和沉淀物的形成,減緩蛋白質(zhì)水解,保持脂肪不上浮時間達18個月??追藏У萚21]研究發(fā)現(xiàn),微濾+UHT的工藝組合與不微濾的UHT奶對比,微濾的UHT乳中的纖溶酶活性未檢出,貯藏期內(nèi)微濾UHT乳非酪蛋白氮、pH、酸度、脂肪球粒徑等指標值的變化更小。

    3 膜過濾技術在酸奶生產(chǎn)領域的應用

    蛋白質(zhì)是評價酸奶的營養(yǎng)價值的重要指標之一,是吸引消費者購買酸奶的驅動力之一[22]。因此提高單位內(nèi)的酸奶蛋白質(zhì)含量具有重要意義,市場上酸奶蛋白質(zhì)含量大多為2.3~3.5 g/100 g,蛋白質(zhì)含量≥6 g/100 g可宣稱為高蛋白質(zhì)酸奶,高蛋白質(zhì)酸奶的實現(xiàn)可通過添加蛋白質(zhì)提高物提高蛋白質(zhì)的含量,另外可通過濃縮原料乳、分離乳清提高初始蛋白質(zhì)含量,可在發(fā)酵前強化蛋白質(zhì)或濃縮原料乳,也可在發(fā)酵完成后分離乳清提高蛋白質(zhì)含量[23]。在高蛋白酸奶生產(chǎn)過程中可利用膜的分離能力在濃縮原料乳和分離乳清中發(fā)揮作用,超濾濃縮和RO濃縮在高蛋白酸奶生產(chǎn)中應用最廣泛,超濾擁有良好的蛋白質(zhì)截留能力。李明浩等[24]采用截留分子量10 kDa的有機膜,蛋白質(zhì)截留率達99.61%。呂建國等[25]利用管式反滲透膜實現(xiàn)99.9%的蛋白質(zhì)截留。岳建偉等[26]應用卷式反滲透膜可將牛乳總固形物含量從8.26%提高到20.95%,固形物含量增加1.54倍,牛乳的風味沒有發(fā)生變化。王玉堂等[27]用納濾濃縮牛乳生產(chǎn)高管道耐受、黏度及咀嚼性高的酸奶產(chǎn)品,取得不錯的效果。

    膜技術的應用為生產(chǎn)高價值酸奶提供工藝上的便利性,與傳統(tǒng)的單效、雙效、閃蒸濃縮相比,能耗更低,對乳中的成分影響更小。相對于熱效濃縮,膜濃縮更加節(jié)能,濃縮物更環(huán)保,有研究報道,膜法濃縮比蒸發(fā)濃縮可節(jié)約累計35%的能源需求[28]。

    4 膜技術在乳制品應用中存在的問題

    盡管膜技術的應用推動了乳業(yè)高品質(zhì)發(fā)展,牛乳中的營養(yǎng)價值也得到更好利用,提高了企業(yè)產(chǎn)品競爭力,但膜技術在乳品行業(yè)應用中仍存在一些問題。主要存在問題有:膜污染問題,膜技術是以膜為截留介質(zhì),尤其是微濾膜常應用于除菌,運行時間過長,極易造成膜污染、降低膜通量,因此在應用微濾除菌時對原料乳的微生物含量存在一定限制,經(jīng)調(diào)查,市場上經(jīng)微濾技術生產(chǎn)的高端鮮牛乳所用的原料乳細菌總數(shù)普遍小于5×104CFU/mL,體細胞小于3×105個/mL;生產(chǎn)維護成本高,由于膜污染的問題會導致需要經(jīng)常對膜進行清洗,持續(xù)生產(chǎn)時間短,膜的清洗對清洗液要求較高,即使清洗及時,膜的使用壽命也不長,需經(jīng)常更換[29];微濾膜在過濾前需去除牛乳中的脂肪,由于乳脂肪的粒徑比膜孔徑大,不提前分離脂肪會導致膜堵塞嚴重[30]。后續(xù)工藝將乳脂肪添加回來,增加工藝的操作難度,有研究表明將均質(zhì)后的牛乳經(jīng)膜過濾,與離心分離脂肪后再經(jīng)膜過濾的膜通量對比沒有顯著差異,有利于優(yōu)化工藝流程[31]。

    5 結語與展望

    膜技術是一門新興技術,也是一門綠色技術,膜技術的應用給乳制品行業(yè)帶來質(zhì)的提升,牛乳的營養(yǎng)價值也因膜技術的應用得到更好利用。隨著技術的發(fā)展,尤其是膜材料和制造技術的發(fā)展,未來可通過開發(fā)出抗污染能力更強、膜通量更強、成本更低的高分子膜和無機膜,使膜技術存在問題進一步得到解決。

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