牛奶加工單元操作（五）
——牛奶的濃縮

文/顧佳升

（上海奶業行業協會）

▲接本刊2016年第7期

牛奶加工單元操作（五）
——牛奶的濃縮

文/顧佳升

（上海奶業行業協會）

1　水在牛奶里的存在形態

牛奶里的水分占了約87%的份額（按質量計），是容納其它各種物質的載體。脂肪球、蛋白質顆粒、乳糖和礦物質等各種物質，都以不同的形態分散在其中。然而為了經濟便利地保存和運輸牛奶，除去水分哪怕只是部分除去，都將是非常有意義的。

水分子（H2O）是由2 個氫原子與1 個氧原子組成的，從它們所帶的等量正負電量來看，水分子應該是呈電中性的。但是由于1 個氧原子與2 個氫原子的結合并不在一條直線上，因而水分子是一個弱極性分子，存在正負2 個電極（圖1）。

某一個水分子的氧原子端與另一個水分子的氫原子端之間存在著一種較弱的吸引力，叫“氫鍵”。和普通的水一樣，牛奶中大部分的水分子也是這樣有規則地連續分布的（圖2）。

但是牛奶里有部分水分子卻不是這樣分布的。由于分散在牛奶里的絕大多數顆粒表面多多少少都帶有電荷，如可溶性鹽類的離子、膠體蛋白質顆粒、脂肪球膜等，水分子與它們會通過氫鍵發生相互作用，使得一部分靠近它們的水分子成層地聚附在這些顆粒的表面，顆粒被包裹在水分子中。因此，牛奶里顆粒狀的乳干物質實際上都是不連續地分布在牛奶里的，顆粒的外周存在著由水分子形成的水化界面。形成水化層的顆粒被稱為“水化粒子”，圖3展示了帶正電荷顆粒物質的水化層結構。

圖1　不對稱的水分子結構

圖2　水分子之間的氫鍵示意圖

圖3　帶正電荷的水化粒子

不參與水化層的水分子被稱為“自由水”，而參與水化層的水分子被稱為“束縛水（Bound Water）”。顧名思義，束縛水的自由度比自由水低，不容易蒸發。牛奶的沸點和冰點與純水不同，處于同一高度的海平面時，牛奶的沸點比純水高約0.55 ℃，而冰點低了約0.55 ℃。束縛水的其它物理化學性質也與純水有所不同，例如黏度以及作為溶劑的溶解性能等，它們對牛奶的蒸發脫水濃縮操作具有重要的實際意義。

牛奶的“黏度”表現為抵抗流動的摩擦力。黏度除了與總固體含量有關之外，還與總固體成分組成有關，例如脂肪的存在可以降低濃縮奶的黏度，蛋白質和乳糖的存在將提高其黏度。牛奶中鹽類種類和含量的微小變化對濃縮奶黏度的影響極大，無論是陽離子還是陰離子濃度的略微增高或降低，都會引起濃縮奶黏度的升高或降低，只有磷酸根離子是個例外。黏度還與溫度有關，溫度越高黏度越低；還與濃縮奶的儲存時間有關，時間越長黏度越高，稱為“儲存黏稠化”，也稱為“老化黏稠（Age Thickening）”。

平時我們很少感覺到處于靜止狀態時牛奶的黏度，只有在少數情況下，比如在不同溫度下測定脂肪球上浮速度的時候才有所察覺。但是在流動狀態下，牛奶的黏度就顯示得比較充分，據測定，20 ℃時，生鮮牛奶的黏度是水的2.13 倍，未經熱處理的脫脂奶的黏度是水的1.79 倍，未經熱處理的乳清的黏度是水的1.25 倍，而含有5%乳糖的水溶液的黏度只是水的1.15 倍。過度加熱的牛奶黏度更大，因為其中蛋白質的空間結構發生了變化，專業的說法為“蛋白質變性”，是指氨基酸鏈的組成結構雖然沒變，但其“立體卷曲”的形狀卻已經發生了變化。

2　濃縮的原始方法

原始濃縮牛奶的方法也稱為“平鍋法”，是將牛奶盡可能“薄”地平鋪在一個平底鍋里，厚度約為2 cm；鍋下用木炭等可以“幽幽燃著”的燃料加熱，不能讓牛奶沸騰，防止底部結焦，還要用小鏟不斷翻炒，幫助牛奶中的水分揮發；隨著水分的揮發，牛奶逐漸變黏稠了，炭火必須由旺轉幽；當牛奶的體積減少到一半時加入蔗糖，牛奶立即變得黏厚起來，此時“翻炒”動作要迅速快捷；待蔗糖融化均勻，立即停止加熱并移入冷水浴降溫，即成為“土煉乳”。

之所以稱其為“土煉乳”，是因為蒸發水分時的溫度較高、時間太長，產品的色香味和質地俱差，兌水復原后所得的復原奶品質也差。

不過在20世紀80年代之前，因設備投資和加工成本低廉，這種原始濃縮牛奶的方法曾經在我國存在過將近百年。在土煉乳的加工過程中，我們可以看到牛奶黏度的變化，隨著牛奶里自由水分子的蒸發，牛奶干物質含量在不斷提高，牛奶的黏度變得愈來愈大。當體積減少到一半時，其在海平面上的沸點約為101.5 ℃，此時牛奶的干物質含量約為25%；然后加入蔗糖使其濃度達到45%左右，其余為水分。加入大量蔗糖是為了抑制細菌的生長，就像腌制蜜餞那樣。

3　濃縮的經典工藝

土煉乳的品質之所以差，是因為蒸發時溫度高、時間長，引起了牛奶里營養成分變化，尤以其中的蛋白質為甚。由于純水在海平面上的沸騰溫度是100 ℃，而在海拔千米的高山上只有85 ℃，原因在于大氣壓力的變化，因此，只要調整真空度就能控制牛奶的蒸發溫度。數百年來濃縮牛奶方法的本質改進，是將操作放到一個相對負壓的環境里進行。實踐表明，最高不能超過70 ℃，相當于處在不低于海拔10 000 m的高度；以低于55 ℃為宜，相當于處在不低于海拔16 000 m的高度。

20世紀30年代前后使用的濃縮操作原理如圖4所示。當時為了提高傳熱速度，加熱蒸汽管做成了盤旋狀，牛奶進入濃縮鍋后從盤管的外壁獲得熱量。由于鍋里處于負壓狀態，牛奶升溫到相應的沸點后開始沸騰，牛奶里的水分變成水蒸氣后經由上口被抽出，這部分水蒸氣也有個專用名稱，為“二次蒸汽”。不過牛奶需要在鍋里停留一段時間，等水分蒸發到濃縮所需要的程度時，才能打開出口閥放料。然后再進料，開始第二次濃縮，整個操作是間歇式的。

圖4　真空濃縮鍋示意圖

進入濃縮工段的牛奶都需要先完成標準化，即脂肪和非脂乳固體的比例已經得到調整。濃縮操作只是除去其中的水分，隨著自由水的蒸發，牛奶的黏度上升，沸騰的狀態也發生變化。使用真空濃縮鍋進行濃縮操作時，操作工需要通過真空濃縮鍋外殼的玻璃窗口觀察鍋內濃縮奶的沸騰狀態，一旦發現沸騰中的乳液表面出現光澤、四周的乳液涌向中心并呈現一個泡沫潭時，表明濃縮終點即將到來，如果繼續加熱操作則將面臨溢鍋和結焦的危險。當然更嚴格的檢驗還需要依靠儀器，常用的是使用折光儀來測定濃縮奶的折光率，或者使用比重計來測定其比重。

最近半個世紀以來，蒸發濃縮技術的新改進集中發生在增加牛奶的蒸發面積上。常用的辦法是讓牛奶沿著管徑約為40 mm的管子內壁慢慢向下流，控制流量，使得牛奶在管壁上只形成薄膜而不充滿管道，否則無法保持管道內部的真空度。管道的外壁與加熱蒸汽直接接觸，管道的內壁面積就是牛奶的蒸發面積。如果增加管子的數量，那么牛奶的蒸發面積也將成倍擴大。圖5展示了列管式降膜真空濃縮鍋的上部放大圖，實際上在牛奶分配板下并列著許多根牛奶蒸發管，圖中只顯示了其中的一根。

列管式降膜真空濃縮鍋的下半部分內部結構與圖5類似，只不過倒轉180°而已，另外底部的出口用來流出濃縮奶和抽取真空。濃縮鍋的外殼壁上下各有一個口，是加熱蒸汽的進出口（圖6）。加熱蒸汽在牛奶蒸發管之間的外部空間里流動，通過管壁將熱量傳遞到管內；蒸發管內牛奶薄膜里的水分，在自上而下的運動中接受熱量而不斷蒸發，牛奶在向下流動的過程中也逐步變成了濃縮奶；最后，濃縮奶與二次蒸汽由底部出口導出，再經過一個氣體和液體的分離裝置將它們分開，完成蒸發濃縮操作。氣體和液體的分離原理見圖7。

從理論上來說，只要控制牛奶蒸發管的長度，就能實現所需要的濃縮程度。然而事實上，逐漸濃縮的牛奶黏度也將越來越大，因此制約了蒸發管的長度，極限為20 m，一般不超過10 m。另一方面，從降低能源消耗的角度來看，更合理的方案是將若干個“列管式降膜真空濃縮鍋”串聯起來，因為“二次蒸汽”含有相當高的熱能，前一個列管式降膜真空濃縮鍋排出的二次蒸汽可以作為下一個濃縮鍋的熱源使用。約束這個方案實現的因素有2 個，一是后一個列管式降膜真空濃縮鍋內的真空度必須略高于前一個，二是濃縮了的牛奶黏度不斷增大。從目前的技術裝備現狀來說，串聯的最大值可以達到7。此時最末一級的真空度相當于海拔20 000 m的高度，純水的沸點是45 ℃。不過在實際操作中普遍應用的是3 個列管式降膜真空濃縮鍋串聯起來的設備，稱為“三效濃縮器”，因為其能源消耗、設備投資以及運行費用等綜合成本最低。

圖5　列管式降膜真空濃縮鍋上部放大圖

圖6　列管式降膜真空濃縮鍋外形示意圖

圖7　氣體、液體分離裝置原理圖

濃縮到終點的牛奶只是一種半成品，可以進一步加工成甜煉乳（Condensed Milk）和淡煉乳（Evaporated Milk）兩大類終端產品，而更多的濃縮奶是提供給干燥工段，作為進一步制成粉類制品（Powder）的原料。濃縮到達終點時，濃縮奶中的乳干物質含量隨不同需求而各不相同。一般而言，加工甜煉乳和淡煉乳的乳干物質含量為24%～28%，加工脫脂奶粉和全脂奶粉的乳干物質含量為48%～50%，加工乳清粉的乳干物質含量不能低于52%。加工煉乳類產品的濃縮奶中干物質含量可以比較低，是因為乳糖的溶解度已經到了飽和狀態的臨界點，在保質期內可能析出沉淀。而作為進一步干燥成粉的濃縮奶中干物質含量需要更高一些，是為了盡可能縮短干燥成粉的時間，防止溶解性能的惡化。

（未完待續）

2016年中國畜牧獸醫科技期刊發展論壇在呼和浩特召開

【本刊訊】（記者 祝文琪）2016年8月12日，中國畜牧獸醫學會期刊編輯學分會在呼和浩特召開了2016年中國畜牧獸醫科技期刊發展論壇，此論壇在中國畜牧獸醫學會期刊編輯學分會成立至今每年舉辦一次，至今已有20多年。期刊編輯學分會理事長、《中國乳業》雜志社社長馮艷秋出席會議并致辭。學會副理事長兼秘書長孔平濤，副理事長戴有理、劉全、葉志剛，以及來自《中國畜牧雜志》《中國禽業導刊》《中國獸藥雜志》《現代畜牧獸醫》《中國獸醫導刊》《動物營養學報》《飼料工業》《飼料博覽》《飼料研究》《內蒙古農牧業》《畜牧與飼料科學》等50 多種優秀期刊的負責人和代表參加了此次會議。

改革開放30多年來，我國的期刊不斷地高速發展，但是經過了傳統互聯網的崛起和現今移動互聯時代到來所伴隨的閱讀方式的改變，傳統期刊受到了很大的沖擊。如何通過計算機網絡技術實現傳統媒體與新媒體的融合發展，打造全媒體信息服務平臺，并實現社會效益與經濟效益的同步增長，已成為期刊工作者需要面對和探討的重要課題。為此，論壇結合當前畜牧獸醫科技期刊發展的情況和趨勢，邀請了清華大學《中國學術期刊（光盤版）》電子雜志社有限公司副總經理、副總編輯肖宏和先行品牌策略機構合伙人、項目總監贠志興分別為大家作了題為“數字時代的期刊創新工作與國際化發展”和“企業品牌建設和推廣”的報告。

佳寶乳業集團與濟南移動合作 保障鮮奶冷鏈物流安全

【本刊輯】為了確保鮮奶從生產源頭安全地送達消費者的手中，冷鏈物流是一種必不可少的食品安全保障措施。其中，溫度實時監控是鮮奶運輸過程中至關重要的一環，安全、有效的冷鏈物流將有效促進牛奶銷售半徑和保質期的延長。

目前，濟南移動積極利用“車聯網”和4G網絡聚焦鮮奶冷鏈物流環節，與佳寶乳業集團合作共同打造“冷鏈溫控車載遠程監控系統”項目，為鮮奶生產廠家加強鮮奶生產流通和質量管理提供了安全可靠的保障。該項目借助信息化手段，通過4G數據回傳、車聯網平臺技術和標準化車載模塊，對鮮奶物流車在運輸過程中的溫度、車輛定位和里程油耗等進行實時檢測，確保產品在運輸過程中全程低溫和運輸安全，解決了過去在鮮奶運輸過程中存在的無法實時監控運輸狀態的問題，實現了鮮奶品質的全程監控，確保了鮮奶物流運輸的安全便捷，全程冷鏈運輸，有效推動了“智慧食安”建設。

貝因美、天潤乳業、三元食品、上陵牧業、澳優乳業等發布2016年半年報，現代牧業發布盈利警告

【本刊輯】貝因美嬰童食品股份有限公司發布2016年半年度業績預告修正公告，公告顯示，歸屬于上市公司股東的凈利潤虧損21 000 萬～23 000 萬元。

天潤乳業發布業績預告稱，經財務管理部初步測算，預計公司2016年1～6月實現歸屬于上市公司股東的凈利潤與上年同期1 982.83 萬元相比，將增加155%左右。

三元食品預計2016年上半年實現歸屬于上市公司股東的凈利潤13 000 萬～15 500 萬元，與上年同期相比將增加156.41%～205.72%。

上陵牧業2016年上半年報告顯示，截止到2016年6月30日，2016年上半年營業收入為1.55 億元，較上年同期增長30.06%；凈利潤為2 337 萬元，較上年同期下降4.21%。

現代牧業則發布盈利警告：2016年上半年現代牧業總營業額比2015年同期減少10%。由于進口大包粉和復原乳的沖擊和影響，原料奶市場形勢嚴峻及銷售困難，導致截至2016年6月30日生產的原料奶中11%以上被噴制成奶粉。預期截至2016年6月30日，6 個月凈虧損不少于4 億元。

農墾生態循環農業現場交流會在江蘇大豐上海農場舉行

【本刊訊】（記者 王亞輝）2016年7月28日，由農業部農墾局主辦，上海市農場管理局、上海市上海農場承辦的農墾生態循環農業現場交流會在江蘇鹽城大豐區上海農場舉行。農業部農墾局巡視員何子陽、農業處處長王林昌，光明食品（集團）有限公司副總裁張漢強，全國畜牧總站體系建設與推廣處副處長楊軍香，中國農墾乳業聯盟主席、《中國乳業》/《中國豬業》雜志社社長馮艷秋，上海市上海農場黨委書記、常務副場長何為志以及來自全國13 個墾區主管部門負責人和生豬、奶牛養殖企業負責人、生產技術人員約60 人參加了會議。會議就如何建成生態循環農業進行了深入的探討。交流會期間，與會代表分別參觀了上海農場海豐萬頭奶牛場、光明漁業8 萬畝標準化魚塘、黃海畜牧場5 萬頭生豬養殖基地、上海農場種養循環萬畝示范園、海北10 萬頭生豬糞水還田處理中心，對上海農場規模化、標準化、集約化養殖以及三維循環、生態農業產業發展有了更加直觀而系統的了解。

國家發展改革委將大慶市“中以奶牛產業合作項目”列為中以合作重點項目加以推進

【本刊輯】日前，國家發展改革委下發通知，將大慶市“中以奶牛產業合作項目”列為中以經濟技術合作框架下農業技術合作重點項目予以推進。國家要求黑龍江省，一是加快合作項目建設，按時完成項目各項建設內容，確保以方技術、設備和管理模式充分落地。二是發揮以方技術和生產模式的優勢，減少資源消耗，節約能源成本，加強養殖廢棄物處理和回收利用，加強生產加工全環節質量監測和產品品質控制，提升本地奶牛養殖業的競爭力。三是總結積累本地生產經驗，形成系統的建設運營方案，并逐步推廣。

光明乳業與蘇寧云商簽署戰略協議加速布局電商平臺

【本刊輯】2016年7月20日下午，光明乳業副總裁李柯與蘇寧云商營銷總部副總裁田睿簽署戰略合作協議，并現場發布蘇寧定制款——350 g莫斯利安2果3蔬。未來在大的戰略合作背景下，雙方將共享優勢資源，共同完善O2O營銷模式，為消費者提供更加便捷的消費服務。時至今日，光明乳業的電商平臺在經過近一年的試水后，與蘇寧云商集團展開進一步深入合作，簽署戰略合作協議，優勢互補。光明乳業將借助蘇寧云商集團的消費者大數據進行深入分析，研發、推出更貼合線上消費的新產品、新營銷計劃；同時，蘇寧方面也可以依托光明乳業在乳品研發方面的優勢帶來的多元化的產品結構，為線上平臺提供更加豐富多樣的產品。通過戰略合作，雙方還將打通渠道，在戶外廣告、明星資源推廣、廣告引流等方面進行資源置換，創造合作共贏的局面。

燕塘乳業重拾冰淇淋業務抵御乳品行業低迷

【本刊輯】2016年8月5日，燕塘乳業正式發布旗下冰淇淋品牌——“詩華諾”，同時上市了多款詩華諾品牌冰淇淋。這已是公司近一個月第二次推出新產品。就在7月初，公司曾接連發布了“味嚼2016”“歲月臻典”和“益生君”三大系列近十款新產品。如此頻繁發布新品，且重拾冰淇淋業務，燕塘乳業意在拓展新盈利點。“每個新產品的推出都希望能給公司帶來新的增長點和影響力，”燕塘乳業相關負責人表示。有報告顯示，中國冰淇淋行業正進入高速發展時期。中國產業信息網《2015-2020年中國冰淇淋連鎖市場深度評估及市場專項調研報告》顯示，2015年全球冰淇淋市場銷售額已經超過680 億美元，其中中國冰淇淋市場發展速度最為迅猛，每年正在以20%～30%的速度不斷飆升。

河南省生鮮乳質量安全監控追溯系統二期建設全面啟動

【本刊輯】日前，河南省生鮮乳質量安全監控追溯系統培訓會在鄭州舉辦，標志著該省生鮮乳質量安全監控追溯系統二期項目建設全面啟動。河南省畜牧局奶業管理辦公室負責人介紹，全省生鮮乳質量安全監控追溯系統共分三期，第一期奶車監控，已完成200 輛，并于2016年4月全面投入使用；第二期用戶端平臺建設和乳企收奶區監控，11月底前完成；第三期奶站監控、奶車全覆蓋、全系統不斷完善，計劃于2017年全面實施。生鮮乳質量安全監控追溯系統將有助于加強對生鮮乳質量安全的監管，在生鮮乳生產、收購、運輸等環節，實現全鏈條無死角、無盲點監管，確保生鮮乳質量安全。目前，生鮮乳質量安全監控追溯系統二期項目各有關單位將按照政府招標采購結果，簽訂項目實施合同，全面啟動項目實施工作，確保2016年11月前全部建成投用，不斷推進奶業信息化建設。

印度乳制品公司Kwality獲7 700萬美元投資

【本刊輯】2016年7月13日，印度最大的民營乳制品公司Kwality Ltd宣布獲得一筆52 億印度盧比（約合7 740 萬美元）的風險投資，投資方是本土風投巨頭Kohlberg Kravis Roberts&Co Ltd（KKR），ICICI Securities PD Ltd是本次融資的財務顧問。據悉，這筆投資將會用于拓展個人消費者產品業務。該公司總經理Sanjay Dhingra說道：“我們正處在公司發展的重要階段——從B2B向B2C的商業模式轉型，其中涉及到企業價值鏈中所有業務功能的優化、改善。”Kwality公司之前一直采用的是B2B商業模式，主要為企業客戶供應各類乳制品，不過現在，他們希望進軍個人消費乳制品市場，也就是我們通常說的B2C模式。利用本次融資，Kwality還會進一步加強乳制品基礎設施建設，推出更多高利潤、高附加價值的產品類別，包括奶酪、印度奶酪、定制口味的牛奶和酸奶等。

顧佳升（1948-），男，學士，高級工程師，研究方向為乳品加工及檢驗。

2014-11-12）