膜技術在液態(tài)奶、酸奶中的應用研究進展

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。