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(yíng)養(yǎng)素，牛乳中的活性物質(zhì)具有增強(qiáng)機(jī)體免疫力，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育的功能，被譽(yù)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(guò)高，牛乳的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值得不到利用[2-3]。膜技術(shù)的出現(xiàn)為優(yōu)質(zhì)巴氏殺菌乳的生產(chǎn)提供技術(shù)基礎(chǔ)。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(xì)菌，降低初始帶菌數(shù)，有效降低牛乳加工的殺菌熱負(fù)荷，最大限度保留牛乳營(yíng)養(yǎng)，改善高溫滅菌帶來(lái)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(yīng)用于乳制品加工，如奶酪、蛋白粉的生產(chǎn)[5]。對(duì)膜技術(shù)在液態(tài)奶和酸奶生產(chǎn)中的應(yīng)用情況進(jìn)行討論。

1 膜技術(shù)的分類

膜技術(shù)是以一定的壓力為動(dòng)力來(lái)源，以膜為過(guò)濾介質(zhì)，選擇性地讓部分物質(zhì)通過(guò)膜組件成為滲透液，截留部分成為截流液，從而達(dá)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(jí)過(guò)濾，在乳品加工中常用于牛乳的除菌，超濾是應(yīng)用最廣泛的膜技術(shù)，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(jí)過(guò)濾，納濾用于離子的截留，反滲透膜只有水分子能夠通過(guò)，常用于溶液的濃縮。4種膜技術(shù)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(yīng)用最廣泛[6]。膜芯材質(zhì)決定膜組件的進(jìn)料要求，如表1所示，不同的膜芯對(duì)pH、溫度的耐受能力不同，無(wú)機(jī)膜耐受pH、溫度范圍最廣，使用時(shí)間長(zhǎng)，耐受溫度可到70 ℃。有機(jī)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(shù)膜材質(zhì)及進(jìn)料要求

相對(duì)而言，有機(jī)膜所用的膜材料材質(zhì)來(lái)源更廣泛，多為有機(jī)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(chǎng)份額80%以上。陶瓷膜占據(jù)無(wú)機(jī)膜應(yīng)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(jī)械強(qiáng)度強(qiáng)、抗污染能力強(qiáng)、膜通量大、重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，但單位造價(jià)和運(yùn)行能耗較高。

2 膜技術(shù)在液態(tài)奶生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 在液態(tài)奶中的應(yīng)用

通常巴氏滅菌乳滅菌條件為72~80 ℃、15 s，這個(gè)熱條件可以殺滅致病菌、體細(xì)胞及大部分的細(xì)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?xiàng)l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(dá)37.7%，乳鐵蛋白損失率約76%，而75 ℃、15 s熱處理?xiàng)l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(qiáng)度不能使芽孢桿菌熱休克形成孢子，達(dá)不到巴氏滅菌乳的保質(zhì)期要求。

膜技術(shù)的應(yīng)用很好地化解了兩者的矛盾，平衡營(yíng)養(yǎng)和保質(zhì)期的需求。在液態(tài)奶生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的膜技術(shù)是微濾，通過(guò)微濾膜的截留，降低牛乳帶菌數(shù)，進(jìn)行HTST處理，研究表明，微濾具有極佳的除菌效果?？追藏14]利用1.4 μm的陶瓷膜過(guò)濾脫脂乳，最佳工藝條件下，細(xì)菌和芽孢截留數(shù)量級(jí)分別為（3.471±0.232）log和（2.079±0.206）log。任憲峰等[15]通過(guò)陶瓷膜除菌試驗(yàn)表明，陶瓷膜的除菌率可達(dá)99.86%。微濾技術(shù)高效除菌的同時(shí)，并不會(huì)改變過(guò)濾后牛乳中蛋白質(zhì)的成分[16]。國(guó)外研究報(bào)道經(jīng)陶瓷膜過(guò)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(yíng)養(yǎng)需求，隨著技術(shù)發(fā)展，膜技術(shù)與低溫殺菌的串聯(lián)結(jié)合已逐漸商業(yè)化，北京三元食品股份有限公司在國(guó)內(nèi)首先整合微濾除菌和72 ℃低溫殺菌技術(shù)，推出極致ESL低溫鮮牛乳[18]。隨著膜技術(shù)的應(yīng)用，近幾年各大頭部乳企陸續(xù)推出應(yīng)用膜技術(shù)的鮮奶產(chǎn)品。

膜技術(shù)提高鮮奶品質(zhì)的同時(shí)，在UHT奶領(lǐng)域也嶄露頭角，UHT奶有更長(zhǎng)的保質(zhì)期要求，通常達(dá)到6個(gè)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(huì)分解蛋白質(zhì)和脂肪，造成產(chǎn)品質(zhì)量下降[19]。膜技術(shù)的應(yīng)用能顯著改善UHT奶的這些問(wèn)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(shí)間達(dá)18個(gè)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(duì)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(biāo)值的變化更小。

3 膜過(guò)濾技術(shù)在酸奶生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用

蛋白質(zhì)是評(píng)價(jià)酸奶的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的重要指標(biāo)之一，是吸引消費(fèi)者購(gòu)買酸奶的驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)可通過(guò)添加蛋白質(zhì)提高物提高蛋白質(zhì)的含量，另外可通過(guò)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(qiáng)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(guò)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(yīng)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(jī)膜，蛋白質(zhì)截留率達(dá)99.61%。呂建國(guó)等[25]利用管式反滲透膜實(shí)現(xiàn)99.9%的蛋白質(zhì)截留。岳建偉等[26]應(yīng)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(fēng)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(cuò)的效果。

膜技術(shù)的應(yīng)用為生產(chǎn)高價(jià)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(duì)乳中的成分影響更小。相對(duì)于熱效濃縮，膜濃縮更加節(jié)能，濃縮物更環(huán)保，有研究報(bào)道，膜法濃縮比蒸發(fā)濃縮可節(jié)約累計(jì)35%的能源需求[28]。

4 膜技術(shù)在乳制品應(yīng)用中存在的問(wèn)題

盡管膜技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了乳業(yè)高品質(zhì)發(fā)展，牛乳中的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值也得到更好利用，提高了企業(yè)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，但膜技術(shù)在乳品行業(yè)應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題。主要存在問(wèn)題有：膜污染問(wèn)題，膜技術(shù)是以膜為截留介質(zhì)，尤其是微濾膜常應(yīng)用于除菌，運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，極易造成膜污染、降低膜通量，因此在應(yīng)用微濾除菌時(shí)對(duì)原料乳的微生物含量存在一定限制，經(jīng)調(diào)查，市場(chǎng)上經(jīng)微濾技術(shù)生產(chǎn)的高端鮮牛乳所用的原料乳細(xì)菌總數(shù)普遍小于5×104CFU/mL，體細(xì)胞小于3×105個(gè)/mL；生產(chǎn)維護(hù)成本高，由于膜污染的問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致需要經(jīng)常對(duì)膜進(jìn)行清洗，持續(xù)生產(chǎn)時(shí)間短，膜的清洗對(duì)清洗液要求較高，即使清洗及時(shí)，膜的使用壽命也不長(zhǎng)，需經(jīng)常更換[29]；微濾膜在過(guò)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(huì)導(dǎo)致膜堵塞嚴(yán)重[30]。后續(xù)工藝將乳脂肪添加回來(lái)，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(guò)濾，與離心分離脂肪后再經(jīng)膜過(guò)濾的膜通量對(duì)比沒有顯著差異，有利于優(yōu)化工藝流程[31]。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

膜技術(shù)是一門新興技術(shù)，也是一門綠色技術(shù)，膜技術(shù)的應(yīng)用給乳制品行業(yè)帶來(lái)質(zhì)的提升，牛乳的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值也因膜技術(shù)的應(yīng)用得到更好利用。隨著技術(shù)的發(fā)展，尤其是膜材料和制造技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)可通過(guò)開發(fā)出抗污染能力更強(qiáng)、膜通量更強(qiáng)、成本更低的高分子膜和無(wú)機(jī)膜，使膜技術(shù)存在問(wèn)題進(jìn)一步得到解決。