宋 博,張雨萌,逄曉陽,張書文,呂加平
(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,北京 100193)
牛乳中存在許多可工業(yè)化生產(chǎn)的有價(jià)值成分,如脂類、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和維生素,可以通過對牛乳或牛乳副產(chǎn)品進(jìn)行各種分離處理獲得。其中以膜為基礎(chǔ)的分離手段已被證明在回收這些產(chǎn)品方面快捷、有效。本文簡要介紹膜技術(shù),綜述目前膜技術(shù)在乳品加工業(yè)的應(yīng)用研究進(jìn)展。
乳制品中的主要營養(yǎng)成分,如乳蛋白、乳脂肪、乳糖等具有不同的營養(yǎng)特性和功能特性,在乳化、增稠、提高穩(wěn)定性、改善口感和營養(yǎng)強(qiáng)化等方面都有較多應(yīng)用,因此常作為功能性配料廣泛應(yīng)用于乳制品、烘焙食品、肉制品、醫(yī)藥、化妝品、日用化工等行業(yè),但這些特性會受到生產(chǎn)過程的強(qiáng)烈影響[1]。在所有乳制品配料生產(chǎn)加工過程中,分離過程非常重要。與蒸餾、離心、酸沉、色譜等分離技術(shù)相比,膜分離技術(shù)具有操作溫度低、節(jié)能、無污染和易于操作控制等特點(diǎn),是目前實(shí)現(xiàn)物料分離的重要手段之一。
膜分離技術(shù)最早應(yīng)用于化工、污水處理等領(lǐng)域,在基礎(chǔ)理論和實(shí)踐方面都為乳制品加工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn),其在乳品行業(yè)也有幾十年的應(yīng)用歷史,最早的應(yīng)用可追溯到1969年研究者利用超濾工藝制作軟質(zhì)干酪[2]。但是從液態(tài)乳中分離各種成分仍具有諸多挑戰(zhàn),因?yàn)橐簯B(tài)乳的固形物含量高且成分復(fù)雜,增加了分離過程的復(fù)雜性。近些年來,隨著膜材料和膜元件配置的不斷發(fā)展,幾乎所有類型的膜,包括陶瓷膜、不銹鋼膜、有機(jī)膜都已成功應(yīng)用于乳制品行業(yè)。依據(jù)膜分離過程中推動力的不同,膜分離技術(shù)大體可分為2 類:一類是以壓力為推動力的膜分離過程,包括微濾、超濾、納濾和反滲透;另一類是以電力為推動力的膜分離過程,所用的是一種特殊的半透膜,稱為離子交換膜[3]。這幾種膜的分離范圍如圖1所示。
圖1 不同類型膜的分離范圍[1,3]Fig. 1 Separation ranges of different types of membranes[1,3]
酪蛋白和乳清蛋白的分離是基于二者分子質(zhì)量大小差異。在牛乳中酪蛋白以膠束形式存在,粒徑分布為80~400 nm,平均粒徑多為100~200 nm,而乳清蛋白作為乳中的可溶性蛋白,粒徑一般在10 nm以下,粒徑的巨大差異使得膜分離成為可能[4]。微濾是一種壓力驅(qū)動的分離過程,類似于超濾、納濾和反滲透等其他廣泛使用的膜過程,與這些工藝相比,微濾通常在相對較低的壓力下操作,主要用于較大顆粒的分離[5]。膜過濾的示意圖如圖2所示。根據(jù)微濾膜制作材料的不同,可以分為無機(jī)膜和有機(jī)膜,無機(jī)膜主要分為陶瓷膜和不銹鋼膜;有機(jī)膜材料可以是疏水性的,包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚丙烯,或者是親水性的,包括聚碳酸酯和聚醚砜。許多文獻(xiàn)都報(bào)道了利用膜技術(shù)分離酪蛋白和乳清蛋白,但使用的膜孔徑差異很大,多為20~200 nm[6-7]。這種孔徑的差異主要是由膜材料和不同廠家膜制作工藝不同造成的。
圖2 膜過濾示意圖Fig. 2 Schematic diagram of membrane filtration
從膜在乳品加工業(yè)的應(yīng)用情況來看,陶瓷膜應(yīng)用最為廣泛,與其他材料制成的膜相比,陶瓷膜具有較高的機(jī)械強(qiáng)度并且較耐酸堿和高溫,在生產(chǎn)和清洗方面具有一定優(yōu)勢。因此,絕大多數(shù)歐洲乳品廠商認(rèn)為只有陶瓷膜能較好滿足生產(chǎn)要求。其中100 nm和200 nm的陶瓷膜多用于酪蛋白和乳清蛋白的分離,過濾工藝多采用2~5 段式的間歇錯(cuò)流過濾(圖3),過濾溫度控制在50~55 ℃,濃縮倍數(shù)一般為2~4 倍,乳清蛋白的脫除率為60%~80%,滲透液幾乎不含或含有少量酪蛋白[8-11]。另一種膜分離工藝是冷濾工藝,由O’Mahony等[12]提出并申請了相關(guān)專利。與熱濾工藝相比,冷濾過程物料的溫度一般控制在10 ℃以下。在低溫條件下,酪蛋白膠束因疏水相互作用減弱會發(fā)生一定程度的解離,部分酪蛋白會釋放進(jìn)乳清相中,其中以β-酪蛋白為主,含有β-酪蛋白的乳清滲透液經(jīng)脫鹽濃縮等工藝制得的乳清粉可用于嬰幼兒配方粉的生產(chǎn)基料。但冷濾過程溫度較低,液體黏度較高,蛋白傳質(zhì)速率較慢,這導(dǎo)致冷濾條件下的膜通量只有不到熱濾過程的1/3,而整體能耗卻是熱濾的1.5 倍以上,同時(shí)只有不到20%的β-酪蛋白進(jìn)入到滲透液中,因此目前的冷濾工藝并不適宜工業(yè)化生產(chǎn)[13-16]。近些年來,許多研究人員嘗試使用酸化劑或鈣離子螯合劑增加酪蛋白膠束的解離程度,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著膠束蛋白解離程度的增加,膜通量會進(jìn)一步下降[17-20]。
圖3 2 段式酪蛋白和乳清蛋白分離示意圖Fig. 3 Schematic diagram of two-stage separation of casein and whey protein
乳清蛋白分離也是基于不同乳清蛋白分子質(zhì)量大小差異,其中α-乳白蛋白(α-lactalbumin,α-La)和β-乳球蛋白(β-lactoglobulin,β-Lg)的分子質(zhì)量分別約為14.4、18.4 kDa,β-Lg在天然動物乳和熱加工過程中以單體和二聚體混合物的形式存在,因此可以使用30~50 kDa超濾膜對二者進(jìn)行分離[21]。Cheang等[22]使用30 kDa的超濾膜和恒定體積的滲濾來產(chǎn)生富含α-La的滲透物部分和富含β-Lg的截留物部分。Mets?muuronen等[23]使用30 kDa膜從稀釋的乳清中分離α-La,可以從乳清中獲得純度高達(dá)88%的α-La。但由于使用的超濾膜孔徑較小,在實(shí)驗(yàn)過程中存在蛋白遷移速率低、分離純度不高及滲析過程大量用水等問題。因此,在后續(xù)的研究過程中常使用帶電荷的超濾膜。帶電荷的超濾膜根據(jù)靜電排斥原理工作,其中攜帶與膜電荷相同電荷的蛋白質(zhì)因靜電作用而被膜孔排斥,而攜帶零凈電荷或相反電荷的蛋白質(zhì)則能透過膜,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)2 種蛋白的分離。由于α-La和β-Lg的等電點(diǎn)分別約為4.4和5.2,在pH 6.7左右時(shí)均帶負(fù)電荷,因此在膜過濾前需要添加酸化劑,調(diào)整體系的pH值在二者等電點(diǎn)之間,此時(shí)2 種蛋白將會帶有不同電荷,同時(shí)由于蛋白和膜孔的靜電排斥作用,在選擇膜孔徑時(shí)可以選擇更大孔徑的超濾膜。Arunkumar等[24]比較300 kDa帶正電荷超濾膜和不帶電荷30 kDa超濾膜的分離效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn),與不帶電荷超濾膜相比,帶正電荷超濾膜對α-La的選擇透過性提高4.9 倍,且在沒有滲析補(bǔ)水操作下,滲透液蛋白中α-La含量可高達(dá)87%。
牛乳濃縮最為常見的應(yīng)用是乳蛋白濃縮物(milk protein concentrate,MPC)的生產(chǎn),MPC是將脫脂牛乳脫除乳糖后濃縮、進(jìn)行噴霧干燥得到的高蛋白粉,濃縮過程主要分為蒸發(fā)濃縮和膜過濾濃縮2 種。目前已商業(yè)化生產(chǎn)的MPC蛋白質(zhì)含量為42%~85%,典型的有MPC42、MPC70、MPC75、MPC80和MPC85[24]。但是這類濃縮只針對乳蛋白進(jìn)行濃縮,乳糖和鹽類等小分子物質(zhì)不被截留。
Cao Jialu等[25]評估傳統(tǒng)蒸發(fā)和納濾濃縮對MPC理化性質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)2 種方式制得的MPC化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)沒有明顯差異,但經(jīng)納濾濃縮技術(shù)制得的MPC表面疏水性和游離巰基含量顯著低于傳統(tǒng)蒸發(fā)操作制得的MPC,貯藏24 周后納濾濃縮MPC的溶解度仍比蒸發(fā)濃縮MPC大,因此認(rèn)為納濾可能是制造溶解度增強(qiáng)的MPC的潛在手段。Wang Hong等[26]研究不同濃縮方法(納濾和蒸發(fā))和熱處理對濃縮乳蛋白凝膠特性的影響,發(fā)現(xiàn)在未預(yù)熱操作下,蒸發(fā)濃縮得到的濃縮乳蛋白比納濾濃縮得到的濃縮乳蛋白具有更高的彈性模量、硬度、更低的損耗角正切值和乳清分離度,因此有更好的凝膠特性。
全乳濃縮產(chǎn)物稱為濃縮乳,在乳制品行業(yè)中,濃縮乳具有多種用途,例如,作為噴霧干燥之前的中間產(chǎn)品或作為其他產(chǎn)品配方中的成分[27]。液態(tài)乳整體的濃縮可以通過多種方法來完成。其中最為常用的是蒸發(fā)和反滲透,這些技術(shù)旨在通過去除水分來增加總固形物含量。牛乳的蒸發(fā)和干燥被認(rèn)為是乳品加工行業(yè)最耗能的操作,而通過膜過濾進(jìn)行濃縮所需的能量低得多[28]。反滲透可以在比蒸發(fā)更低的溫度條件下進(jìn)行,因此可以認(rèn)為是非熱濃縮過程,它限制了熱誘導(dǎo)的乳清蛋白變性,除此之外,液態(tài)乳和乳清進(jìn)行反滲透濃縮后體積變小,有利于運(yùn)輸和貯藏。呂建國等[29]采用管式反滲透膜濃縮牛乳工藝,并將其與傳統(tǒng)蒸發(fā)濃縮工藝進(jìn)行比較,結(jié)果顯示,管式反滲透膜對有效成分的截留率接近100%,且牛乳原始風(fēng)味并未改變,經(jīng)成本核算,每去除1 t水的運(yùn)行成本約為14.8 元(其中含設(shè)備折舊),顯著低于使用傳統(tǒng)蒸發(fā)濃縮工藝的除水成本(36 元/t)。
反滲透濃縮乳可經(jīng)噴霧干燥成粉,或以濃縮乳制品的形式進(jìn)行銷售。S?rensen等[30]研究反滲透濃縮乳噴霧干燥后粉末的貯藏穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)非濃縮牛乳制備的乳粉中糠氨酸含量高于預(yù)濃縮牛乳制備的乳粉,但在貯藏過程中沒有發(fā)現(xiàn)顏色變化,因此認(rèn)為濃縮乳粉不會影響乳粉質(zhì)量。
除了應(yīng)用反滲透膜對乳蛋白進(jìn)行濃縮外,帶負(fù)電荷的納濾膜也可用于牛乳蛋白的濃縮,乳蛋白在pH 6.7下均帶負(fù)電荷,當(dāng)使用負(fù)電荷膜進(jìn)行過濾時(shí),乳蛋白與膜孔表面發(fā)生靜電排斥,從而保留在截留液中。Arunkumar等[31]使用100 kDa帶電荷超濾膜和10 kDa超濾膜對干酪乳清進(jìn)行分離,發(fā)現(xiàn)2 種膜的蛋白質(zhì)回收率沒有顯著差異,但帶電荷超濾膜通量提高近2 倍,同時(shí)非蛋白滲透物的含量顯著高于不帶電荷超濾膜。
乳清是干酪加工后的副產(chǎn)物,含有乳清蛋白、礦物質(zhì)和維生素等生理活性物質(zhì),生物需氧量達(dá)45 000 mg/L, 直接排放會造成環(huán)境污染。乳清常用來生產(chǎn)乳清粉,可應(yīng)用到嬰幼兒配方食品中。對于嬰幼兒來說,鹽含量高的乳清粉會增加腎臟負(fù)擔(dān),因此必須進(jìn)行脫鹽處理,使其接近母乳[32]。納濾和電滲析是乳清脫鹽的常用手段。
納濾是介于超濾和反滲透之間的膜過濾操作,因此,它能截留乳糖等分子質(zhì)量大于200 Da的物質(zhì),但卻無法截留分子質(zhì)量較小的分子和離子,如鈉離子和氯離子,對于2 價(jià)和3 價(jià)鹽離子,如鈣離子、鎂離子和磷酸鹽等,則可以部分被截留。電滲析是一種通過離子交換膜將離子從一種溶液分離到另一種溶液并實(shí)現(xiàn)溶液脫鹽和濃縮的過程,對所有離子均有較好的截留效果。使用納濾膜脫鹽,由于其膜孔徑較為致密,因此較易產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象,導(dǎo)致通量下降,且納濾對鹽類的脫除率較低,一般不超過40%;使用電滲析雖然最高可以達(dá)到90%的脫鹽率,但運(yùn)行成本和膜成本都相對較高[33-34]。因此,在工藝上常采用納濾和電滲析相結(jié)合的方式。Lemay等[35]應(yīng)用脈沖電場電滲析技術(shù),研究脈沖頻率對干酪制作副產(chǎn)物乳清脫鹽效果的影響,發(fā)現(xiàn)脈沖頻率對脫鹽效果不會產(chǎn)生顯著影響,但高頻率下系統(tǒng)能量消耗較低,體系酸堿度變化較小。Merkel等[36]使用納濾和電滲析組合工藝對乳清進(jìn)行脫鹽處理,發(fā)現(xiàn)經(jīng)納濾處理后,酸性乳清中乳酸含量降低35%,而經(jīng)納濾和電滲析組合處理后,乳酸含量降低88%;在鹽類脫除率方面,經(jīng)納濾后,2 種類型乳清的礦物質(zhì)含量均降低27%~28%,隨后的電滲析可將甜乳清的鹽類脫除率提高到88%,將酸性乳清的鹽類脫除率提高到91%。
與市政污水相比,乳制品加工過程產(chǎn)生的廢水具有更高的固形物含量,其中脂肪、糖類和鹽類的含量顯著高于市政污水,在沒有經(jīng)過任何形式預(yù)處理的情況下,其可溶性有機(jī)物含量占總負(fù)荷的百分比近乎是城市污水的2 倍。由于消化這些有機(jī)物需要較長的動力學(xué)過程,這會給農(nóng)村或偏遠(yuǎn)地區(qū)的小型污水處理廠帶來較大壓力。目前,膜技術(shù)在廢水處理中的主要應(yīng)用是膜生物反應(yīng)器,旨在除去可溶性的有機(jī)化合物。
膜生物反應(yīng)器是傳統(tǒng)生物過程與膜過濾技術(shù)的結(jié)合。與傳統(tǒng)的活性污泥處理法相比,膜生物反應(yīng)器利用膜(通常是超濾)來實(shí)現(xiàn)分離,能產(chǎn)生更高固形物含量的流出物,這使得反應(yīng)器中的生物質(zhì)濃度更高,能處理更高固形物含量的廢水,并減少處理廠的占地面積。可溶性固體被膜有效截留意味著有機(jī)化合物有更多被降解的機(jī)會,并且傳統(tǒng)活性污泥法中不易去除的生物降解性較差的有機(jī)物也可以在膜生物反應(yīng)器中去除。Rahimi等[37]通過對水力停留時(shí)間(hydraulic retention time,HRT)和總固形物含量2 個(gè)運(yùn)行參數(shù)的13 組優(yōu)化實(shí)驗(yàn)得出,在進(jìn)水化學(xué)需氧量和總氮含量(total nitrogen,TN)平均值分別為2 131、273 mg/L的初始條件下,當(dāng)HRT為24 h、總固形物含量為6 000 mg/L時(shí)TN的去除率最大,為55.2%。工廠廢水中鹽類的脫除則需要應(yīng)用納濾和反滲透技術(shù),在乳清脫鹽部分已經(jīng)闡述。在水的回收方面,反滲透是目前最有效的手段之一,反滲透水可用作蛋白分離過程中的稀釋劑或清洗階段的載體溶劑。Bri?o等[38]認(rèn)為,利用反滲透從沖洗水中回收牛乳固體是一種有效的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)策略,該過程可產(chǎn)生用作熱交換器的冷卻水,或用作發(fā)酵乳飲料的乳基料流;預(yù)計(jì)每天處理1 000 m3沖洗水的乳制品加工廠,每年的潛在利潤可以達(dá)到349 000 美元。但應(yīng)用反滲透技術(shù)時(shí),需要考慮投入成本與產(chǎn)出,Chamberland等[39]認(rèn)為,在干酪加工業(yè)應(yīng)用反滲透濃縮牛乳帶來的成本高于蒸發(fā)操作。
牛乳中的蛋白質(zhì)含量會受到泌乳期、品種、季節(jié)、氣候等因素的影響,為解決這一問題,脫脂乳的蛋白質(zhì)含量通常在加工過程中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,以獲得更一致的組成和營養(yǎng)特性。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo),超濾過程可用于濃縮蛋白質(zhì),以達(dá)到規(guī)定的牛乳蛋白質(zhì)含量,或通過添加超濾滲透液以降低牛乳蛋白質(zhì)含量。乳品的標(biāo)準(zhǔn)化常應(yīng)用在干酪和酸乳制造工業(yè)中,一般使用0.10 μm孔徑的超濾膜對酪蛋白進(jìn)行富集。蛋白標(biāo)準(zhǔn)化的好處主要有以下幾點(diǎn):一是可以減少食品生產(chǎn)商對設(shè)備操作參數(shù)調(diào)整的需求,提高生產(chǎn)效率;二是提高產(chǎn)品穩(wěn)定性,產(chǎn)品營養(yǎng)成分不易受季節(jié)、泌乳期等因素的影響;三是減少由乳清蛋白引起的風(fēng)味和質(zhì)地缺陷,也減少熱處理對凝乳酶誘導(dǎo)牛乳凝固性的不利影響;四是可以改善某些乳制品的物理性質(zhì),并可能增加其營養(yǎng)價(jià)值,如濃縮酸乳等。Tsermoula等[40]研究使用微濾去除乳清蛋白對切達(dá)干酪產(chǎn)量、功能和營養(yǎng)特性的影響,結(jié)果表明,微濾干酪的苦味強(qiáng)度略低于對照組干酪,并且在成熟過程中所有干酪的苦味強(qiáng)度均增加,而營養(yǎng)物質(zhì)和維生素等含量并沒有顯著差異,因此認(rèn)為微濾去除牛乳中的乳清蛋白不會顯著影響干酪成熟過程中的蛋白水解和營養(yǎng)特性。乳品標(biāo)準(zhǔn)化常用于濃縮乳制品和干燥乳制品的生產(chǎn),即便已有研究表明,與超濾滲透液混合至蛋白含量2.6~3.2 g/100 g后獲得的超高溫牛乳在感官上無顯著變化[41]。但對將滲透液加入原料乳中(即稀釋)以生產(chǎn)飲用巴氏乳和超高溫滅菌乳的標(biāo)準(zhǔn)化過程,歐盟等國家明令禁止。
在牛乳加工過程中,常采用不同時(shí)間和溫度的組合(巴氏殺菌、超高溫或高壓滅菌)進(jìn)行熱處理,以獲得所需的殺菌效果。這些處理已在工業(yè)規(guī)模上大量應(yīng)用,以確保乳制品安全,但熱殺菌會導(dǎo)致乳制品成分發(fā)生不可逆的改變,從而影響乳制品的風(fēng)味、功能和營養(yǎng)特性。此外,熱殺菌過程中裂解的細(xì)胞保留在被加熱的牛乳中,裂解后釋放活性酶,這將導(dǎo)致牛乳貯藏和加工過程中發(fā)生品質(zhì)變化。除熱處理法外,離心法雖可用于去除巴氏殺菌牛乳中的細(xì)菌和孢子,但存在對細(xì)菌的脫除程度低、蛋白質(zhì)損失率高等問題,因此并不是有效的手段。在這種情況下,微濾提供了一個(gè)替代方案。
微濾除菌過程中使用的膜孔徑多為0.8~1.4 μm,與脂肪分離所用的孔徑相近。微濾除菌可以作為輔助殺菌手段,用于降低熱殺菌強(qiáng)度。如孔凡丕[42]采用孔徑為1.4 μm的陶瓷微濾膜對原料乳進(jìn)行微濾處理,并利用微濾乳制備超高溫滅菌乳及低熱乳粉,結(jié)果表明,微濾超高溫滅菌乳的pH值、滴定酸度、上層脂肪球粒徑等品質(zhì)指標(biāo)均優(yōu)于非微濾超高溫滅菌乳,貨架期也相應(yīng)延長21~63 d。微濾也可與其他殺菌手段結(jié)合來替代熱殺菌,如Zhang Wenjian等[43]采用微濾和紫外聯(lián)用的方式對脫脂乳進(jìn)行處理,并與傳統(tǒng)的巴氏滅菌方式進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)經(jīng)微濾和紫外殺菌后脫脂乳的貨架期延長20~40 d,乳鐵蛋白、免疫球蛋白等活性蛋白在貯藏期間含量基本保持不變。
除了在工藝上進(jìn)行創(chuàng)新外,膜材料也尤為重要,目前的研究主要聚焦于提高膜材料對細(xì)菌的選擇吸附性。如Bao Jianxu等[44]制備了一種納米纖維膜,用于去除水中染料和細(xì)菌,結(jié)果表明,靜態(tài)吸附6 min后,金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的去除率分別達(dá)到93.0%和90.0%,動態(tài)吸附90 s后,金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的去除率可分別達(dá)到99.7%和98.7%。
膜技術(shù)在提高產(chǎn)品質(zhì)量、增加產(chǎn)品附加值和開發(fā)新產(chǎn)品等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,特別是最近20 年來,隨著有關(guān)膜材料和膜元件配置的不斷發(fā)展,各種類型的膜層出不窮,在不同應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮了越來越多的作用。我國乳品行業(yè)膜技術(shù)應(yīng)用仍處于起步階段,存在應(yīng)用較為單一、膜種類較少、缺少乳品專用膜制造企業(yè)等問題。但隨著生活水平的提高,消費(fèi)者對于高質(zhì)量產(chǎn)品的需求也越來越強(qiáng)烈,這將為乳品行業(yè)提供良好的契機(jī),也為膜技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用空間。