段翠翠，趙玉娟，高 磊，牛春華，李盛鈺

（吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，吉林長春 130033）

乳清蛋白絮凝和超濾濃縮工藝優(yōu)化

段翠翠，趙玉娟，高 磊，牛春華，*李盛鈺

（吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，吉林長春 130033）

通過優(yōu)化絮凝條件對(duì)干酪乳清進(jìn)行預(yù)處理，利用截留分子量為10 kD和30 kD的改良型纖維素膜包分離干酪乳清中的乳清蛋白，并采用正交試驗(yàn)確定最佳超濾條件。結(jié)果表明，最佳絮凝工藝為pH值7.0，1 mol/L CaCl2添加量15 mL，絮凝溫度40℃；最佳超濾工藝為超濾溫度40℃，超濾壓力0.25 MPa，超濾時(shí)間20 min。利用此絮凝工藝，經(jīng)超濾處理后的乳清濃縮液中蛋白質(zhì)含量為4.98%。

乳清；絮凝；超濾；濃縮

0 引言

乳清蛋白營養(yǎng)價(jià)值高，容易消化吸收，并且含有多種人體必需的氨基酸和活性成分[1-2]。近年來，人們已經(jīng)意識(shí)到乳清蛋白的營養(yǎng)價(jià)值，利用乳清蛋白開發(fā)的各類飲料、保健品也被大眾接受[3]，因此我國的乳清蛋白需求量激增，但遺憾的是我國目前尚不能生產(chǎn)乳清蛋白粉，仍依賴于進(jìn)口，極大地限制了乳清蛋白的應(yīng)用，食品企業(yè)的生產(chǎn)成本也較高。

目前，國內(nèi)多數(shù)干酪加工企業(yè)將乳清廢水直接排放，既造成資源浪費(fèi)又嚴(yán)重污染環(huán)境。充分利用乳清進(jìn)行深加工和產(chǎn)品開發(fā)，對(duì)于擴(kuò)展乳清應(yīng)用領(lǐng)域、延長乳品加工產(chǎn)業(yè)鏈、提高產(chǎn)品附加值、豐富乳制品品種具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

膜技術(shù)在食品工業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，超濾膜的膜孔徑一般為幾十納米到幾百納米，能夠截留相對(duì)分子量為500 Da以上的大分子物質(zhì)和膠體微粒[4-6]。在一定的壓力下，當(dāng)含有幾種不同溶質(zhì)的溶液流經(jīng)被支撐的膜表面時(shí)，其中溶劑和小分子溶質(zhì)（如糖、無機(jī)鹽類）能夠透過膜作為透過液被收集起來，而分子量較大的溶質(zhì)（如蛋白質(zhì)、脂肪等）則被截留作為濃縮液被回收[7-8]。因此，用超濾技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)乳中的蛋白質(zhì)被濃縮，而乳中的乳糖和無機(jī)鹽則作為透過液被收集。試驗(yàn)通過優(yōu)化超濾膜過濾條件，獲得高純度乳清蛋白濃縮液，然后利用薄膜蒸發(fā)技術(shù)進(jìn)一步濃縮乳清蛋白溶液，并利用噴霧干燥技術(shù)制備乳清蛋白。

1 材料與方法

1.1 乳清

干酪乳清來源于研究所實(shí)驗(yàn)室制備干酪時(shí)收集的乳清；所用化學(xué)試劑均為分析純；ZY-1000型超濾系統(tǒng)，10 kD和30 kD的改良型纖維素超濾膜包，上海紫裕生物科技有限公司產(chǎn)品。

1.2 工藝流程

乳清→紗布過濾→離心除雜質(zhì)→調(diào)pH值沉淀酪蛋白→過濾、離心除去酪蛋白→調(diào)pH值至中性→超濾→薄膜蒸發(fā)→噴霧干燥→成品→檢測。

1.3 干酪乳清預(yù)處理?xiàng)l件的確定

向干酪乳清中加入CaCl2，在不同pH值和不同絮凝溫度條件下沉淀量有所不同。由于pH值、絮凝溫度對(duì)絮凝過程有較大影響。因此試驗(yàn)以透光率為檢測指標(biāo)，研究絮凝溫度、pH值、CaCl2添加量對(duì)絮凝效果的影響。具體操作步驟如下：

（1）量取一定體積的干酪乳清，用HCl和NaOH溶液分別調(diào)pH值為5.5，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0，然后加入1 mol/L的CaCl2溶液15 mL，于40℃水浴中慢慢攪拌20 min，以轉(zhuǎn)速4 000 r/min離心10 min。取上清液，檢測透光率。

（2）量取一定體積的干酪乳清，調(diào)節(jié)pH值至7，加入1 mol/L的CaCl2溶液15 mL，于10，20，30，40，50，60℃水浴中慢慢攪拌20 min，以轉(zhuǎn)速4 000 r/min離心10 min。取上清液，檢測透光率。

（3）量取一定體積的干酪乳清，調(diào)節(jié)pH值至7，分別添加1 mol/L的CaCl2溶液5，10，15，20，25 mL，于40℃水浴中慢慢攪拌20 min，以轉(zhuǎn)速4 000 r/min離心10 min。取上清液，檢測透光率。

1.4 超濾系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為提高超濾膜通量，且考慮到膜元件的最高耐受溫度為60℃，首先將乳清預(yù)熱到40℃，過濾后除去粗雜質(zhì)，其濾液用超濾膜過濾、濃縮。設(shè)置超濾膜進(jìn)口壓力為0.7 MPa，回流壓力為0.3 MPa，研究不同超濾溫度、超濾時(shí)間和超濾壓力對(duì)膜通量的影響。

在超濾工藝中，超濾溫度是非常重要的指標(biāo)，隨著超濾溫度的變化，膜通量會(huì)發(fā)生顯著變化。因此，試驗(yàn)將超濾溫度設(shè)置為20，25，30，35，40，45℃，檢測不同超濾溫度對(duì)膜通量的影響；將超濾時(shí)間設(shè)定為10，20，30，40，50，60 min，檢測膜通量的變化情況；將超濾壓力設(shè)定為0.10，0.15，0.20，0.25，0.30，0.35 MPa，檢測膜通量的變化情況。

超濾膜透過液，經(jīng)濃縮后干燥，待測。

1.5 透過液相關(guān)指標(biāo)測定方法

氯化物測定，參考GB 5416—1985硝酸銀滴定法；灰分測定，參照GB/T 500914—1985灼燒質(zhì)量法；蛋白質(zhì)測定，參照GB 500915—1985微量凱氏定氮法；糖含量測定，參照QB/T 3779—1999直接滴定法。

1.6 十二烷基硫酸鈉聚丙烯酰氨凝膠電泳（SDSPAGE）

SDS-PAGE的操作步驟參考相關(guān)文獻(xiàn)[9]。取超濾截留液，于100℃條件下煮沸5 min，加入2× SDS上樣緩沖液，電泳上樣量為10 μL。采用5%的濃縮膠和15%的分離膠進(jìn)行垂直平板電泳分析。濃縮膠的電壓為80 V，進(jìn)入分離膠后，調(diào)整電壓為120 V。采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)優(yōu)化絮凝工藝

研究pH值、絮凝溫度和CaCl2添加量對(duì)透光率的影響。

pH值、絮凝溫度和CaCl2添加量對(duì)透光率的影響見圖1。

圖1 pH值、絮凝溫度和CaCl2添加量對(duì)透光率的影響

由圖1（a）可知，pH值在5.5～6.5時(shí)，透光率變化不大；當(dāng)pH值達(dá)到7.0時(shí)，透光率達(dá)到最大，此時(shí)絮凝效果最好，說明此pH值范圍有利于乳清中殘留酪蛋白、脂肪等雜質(zhì)的去除；當(dāng)pH值繼續(xù)增加時(shí)，透光率出現(xiàn)下降的趨勢，這是因?yàn)殡S著pH值的升高，已經(jīng)發(fā)生絮凝的脂肪和蛋白重新溶解于水中，進(jìn)而導(dǎo)致透光率下降。

由圖1（b）可知，隨著絮凝溫度的升高，透光率也逐漸增加，并且當(dāng)絮凝溫度達(dá)到30℃之后，透光率明顯增加，這是因?yàn)樾跄郎囟壬撸榍屦ざ认陆?，所形成的絮凝物在CaCl2的作用下更容易形成沉淀；但是絮凝溫度太高會(huì)引起乳清蛋白變性。因此，試驗(yàn)選擇絮凝溫度為40℃。

由圖1（c）可知，隨著CaCl2添加量的增加，透光率逐漸增加，當(dāng)CaCl2的添加量為15 mL時(shí)乳清溶液的透光率最大，這是因?yàn)檫m量加入CaCl2有助于去除酪蛋白、脂肪等；之后隨著CaCl2添加量的增加，透光率逐漸下降。因此，試驗(yàn)選擇CaCl2添加量為15 mL。

2.2 膜過濾系統(tǒng)運(yùn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化

為了優(yōu)化膜過濾系統(tǒng)的運(yùn)行工藝參數(shù)，研究超濾溫度、超濾時(shí)間和超濾壓力對(duì)膜通量的影響。

超濾溫度、超濾時(shí)間和超濾壓力對(duì)膜通量的影響見圖2。

圖2 超濾溫度、超濾時(shí)間和超濾壓力對(duì)膜通量的影響

由圖2（a）可知，超濾溫度不同，膜通量也不同，超濾溫度越高，膜通量越大。考慮到超濾溫度過高會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，鈣鹽沉淀會(huì)利于微生物滋生，但是超濾溫度過低會(huì)增加料液黏度不利于過濾和設(shè)備清洗，因此試驗(yàn)選取超濾溫度40℃，并且在實(shí)際操作中設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生熱量，此超濾溫度比較容易控制。

由圖2（b）可知，隨著超濾時(shí)間的增加，超濾膜的膜通量呈衰減趨勢，可能是因?yàn)殡S著超濾時(shí)間的延長，在濾膜中形成濾餅、出現(xiàn)膜壓實(shí)作用或膜被污染、膜孔堵塞而造成膜通量衰減。因此，使用此種膜時(shí)應(yīng)在較短時(shí)間內(nèi)完成超濾操作，選擇超濾時(shí)間20～30 min比較合適。

由圖2（c）可知，隨著超濾壓力增加，膜通量也不斷增加，但是超濾壓力達(dá)到0.25 MPa后，超濾通量趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)槌瑸V壓力達(dá)到一定程度后，增加了超濾膜和主體料液之間的濃度差，使膜面上凝膠層形成較快，增大了料液通透阻力，從而使膜通量穩(wěn)定在一定水平。因此，試驗(yàn)選擇超濾壓力0.25 MPa可以獲得比較好的過濾效果。

2.3 正交試驗(yàn)

超濾工藝因素與水平設(shè)計(jì)見表1，正交試驗(yàn)結(jié)果與分析見表2。

表1 超濾工藝因素與水平設(shè)計(jì)

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)極差大小，由表2可知，3個(gè)因素影響膜通量程度大小依次為超濾溫度＞超濾壓力＞超濾時(shí)間。通過正交試驗(yàn)確定的最佳超濾條件為超濾溫度40℃，超濾壓力0.25 MPa，超濾時(shí)間20 min。

膜分離前后乳清主要成分比較見表3。

表3 膜分離前后乳清主要成分比較

采用正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)工藝進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)。由表3可知，乳清濃縮液中蛋白質(zhì)含量為4.98%，遠(yuǎn)高于未超濾前的干酪乳清中蛋白含量0.65%。

2.4 膜系統(tǒng)截留液的蛋白電泳分析

截留液的蛋白電泳分析結(jié)果見圖3。

圖3 截留液的蛋白電泳分析結(jié)果

由圖3可知，將截留液進(jìn)行電泳后發(fā)現(xiàn)，截留液的主要成分為β-乳球蛋白和α-乳白蛋白。從電泳圖中可以看出，其他雜帶非常少，說明干酪乳清經(jīng)截留分子量為10 kD和30 kD的改良型纖維素膜包處理后，可獲得純度較高的乳清蛋白濃縮液。

3 結(jié)論

通過優(yōu)化絮凝條件，確定最佳絮凝工藝為pH值7.0，1 mol/L CaCl2添加量15 mL，絮凝溫度40℃。在此條件下，可以去除干酪乳清中的大分子酪蛋白、脂肪顆粒等雜質(zhì)，降低乳清渾濁度，減少后期超濾過程中濾膜的污染；使用截留分子量為10 kD和30 kD的改良型纖維素膜包，利用正交試驗(yàn)確定最佳超濾工藝條件為超濾溫度40℃，超濾壓力0.25 MPa，超濾時(shí)間20 min。經(jīng)SDS-PAGE分析可知，干酪乳清經(jīng)截留分子量為10 kD和30 kD的改良型纖維素膜包處理后，可獲得純度較高的乳清蛋白濃縮液。

[1]Ng P K，Snyder M A.Purification of β-lactoglobulin with a high-capacity anion exchanger：high-throughput process development and scale-up considerations[J].Journal of the Science of Food and Agriculture，2013，93（13）：3 231-3 236.

[2]張丹鳳.乳清蛋白的特性及其在乳制品生產(chǎn)中的應(yīng)用 [J].中國乳業(yè)，2007（3）：27-28.

[3]Devries M C，Phillips S M.Supplemental protein in support of muscle mass and health：advantage whey[J].Journal of Food Science，2015，80（1）：8-15.

[4]高紅艷，劉振民，莫蓓紅.陶瓷膜超濾技術(shù)濃縮乳清的工藝參數(shù)研究 [J].食品工業(yè)科技，2012，33（2）：351-354.

[5]陳婷，余群力，趙莉，等.超濾膜分離技術(shù)回收乳清蛋白工藝研究 [J].食品工業(yè)科技，2010，31（4）：226-228.

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[7]劉艷平，項(xiàng)麗麗，劉忠成，等.膜技術(shù)分離脫脂乳中酪蛋白膠束和乳清蛋白工藝的研究 [J].食品工業(yè)科技，2009，30（9）：240-242.

[8]施立欽，杜先鋒.膜技術(shù)在乳清粉綜合利用中的應(yīng)用 [J].中國乳品工業(yè)，2009，37（11）：33-36.

[9]段翠翠，霍貴成，任大喜，等.從WPC中分離β-lactoglobulin的方法 [J].中國乳品工業(yè)，2010，38（1）：19-22.◇

Study on Concentration of Cheese Whey Protein by Optimizing Flocculation and Ultra-filtration Process

DUAN Cuicui，ZHAO Yujuan，GAO Lei，NIU Chunhua，*LI Shengyu
（Institute of Agri-food Technology，Jilin Academy of Agricultural Sciences，Changchun，Jilin 130033，China）

In this study，the whey is firstly pre-treated by optimizing flocculation conditions，then filtrated by a modified cellulose membrane with molecular cutoff of 10 kD and 30 kD.The orthogonal test is carried out to determine the optimum ultra-filtration conditions.The results show that the optimum flocculation process is pH 7.0，1 mol/L CaCl2addition 15 mL，operation temperature 40℃.The optimum ultra-filtration process is operation temperature 40℃，operation pressure 0.25 MPa and running time 20 min.By this flocculation conditions and ultra-filtration process，the protein content in whey concentrated solution is 4.98%.

whey；flocculation；ultra-filtration；concentration

TS252.1；TS252.4

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.01.046

1671-9646（2017）01b-0031-04

2016-12-29

乳清蛋白應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)（2013BAD18B07）。

段翠翠（1984— ），女，博士，助理研究員，研究方向?yàn)槿槠芳庸ぁ?/p>

*通訊作者：李盛鈺（1977— ），男，博士，副研究員，研究方向?yàn)榘l(fā)酵食品及乳品加工。