膜技術在液態奶、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

深圳市晨光乳業有限公司（深圳 518000）

牛乳是一種多組分的流體，富含蛋白質、礦物質、維生素等營養素，牛乳中的活性物質具有增強機體免疫力，促進生長發育的功能，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多為熱敏性物質，熱處理溫度過高，牛乳的營養價值得不到利用[2-3]。膜技術的出現為優質巴氏殺菌乳的生產提供技術基礎。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，有效降低牛乳加工的殺菌熱負荷，最大限度保留牛乳營養，改善高溫滅菌帶來的口感和色澤的變化[4]，可以替代傳統乳品生產中的高溫蒸發濃縮、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[5]。對膜技術在液態奶和酸奶生產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，選擇性地讓部分物質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應用最廣泛[6]。膜芯材質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 不同膜技術膜材質及進料要求

相對而言，有機膜所用的膜材料材質來源更廣泛，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、重復性好的優點，但單位造價和運行能耗較高。

2 膜技術在液態奶生產中的應用

2.1 在液態奶中的應用

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的保留，根據T/TDSTIA004—2019《優質巴氏殺菌乳》，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。Lorenzen等[11]將牛乳經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%發生變性。免疫球蛋白變性溫度80 ℃，而經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期要求。

膜技術的應用很好地化解了兩者的矛盾，平衡營養和保質期的需求。在液態奶生產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，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的成分[16]。國外研究報道經陶瓷膜過濾的牛乳，14 d內蛋白質成分沒有發生變化[17]。

優異的除菌效果保證鮮奶的保質期及營養需求，隨著技術發展，膜技術與低溫殺菌的串聯結合已逐漸商業化，北京三元食品股份有限公司在國內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推出應用膜技術的鮮奶產品。

膜技術提高鮮奶品質的同時，在UHT奶領域也嶄露頭角，UHT奶有更長的保質期要求，通常達到6個月，然而牛乳中的嗜冷菌產生的脂肪酶、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，在貨架期內會分解蛋白質和脂肪，造成產品質量下降[19]。膜技術的應用能顯著改善UHT奶的這些問題。D’Incecco等[20]將經微濾處理后的原料乳生產UHT奶，顯著延遲UHT奶凝膠顆粒和沉淀物的形成，減緩蛋白質水解，保持脂肪不上浮時間達18個月。孔凡丕等[21]研究發現，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領域的應用

蛋白質是評價酸奶的營養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]。因此提高單位內的酸奶蛋白質含量具有重要意義，市場上酸奶蛋白質含量大多為2.3~3.5 g/100 g，蛋白質含量≥6 g/100 g可宣稱為高蛋白質酸奶，高蛋白質酸奶的實現可通過添加蛋白質提高物提高蛋白質的含量，另外可通過濃縮原料乳、分離乳清提高初始蛋白質含量，可在發酵前強化蛋白質或濃縮原料乳，也可在發酵完成后分離乳清提高蛋白質含量[23]。在高蛋白酸奶生產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揮作用，超濾濃縮和RO濃縮在高蛋白酸奶生產中應用最廣泛，超濾擁有良好的蛋白質截留能力。李明浩等[24]采用截留分子量10 kDa的有機膜，蛋白質截留率達99.61%。呂建國等[25]利用管式反滲透膜實現99.9%的蛋白質截留。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，牛乳的風味沒有發生變化。王玉堂等[27]用納濾濃縮牛乳生產高管道耐受、黏度及咀嚼性高的酸奶產品，取得不錯的效果。

膜技術的應用為生產高價值酸奶提供工藝上的便利性，與傳統的單效、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，膜濃縮更加節能，濃縮物更環保，有研究報道，膜法濃縮比蒸發濃縮可節約累計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高品質發展，牛乳中的營養價值也得到更好利用，提高了企業產品競爭力，但膜技術在乳品行業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，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，經調查，市場上經微濾技術生產的高端鮮牛乳所用的原料乳細菌總數普遍小于5×104CFU/mL，體細胞小于3×105個/mL；生產維護成本高，由于膜污染的問題會導致需要經常對膜進行清洗，持續生產時間短，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，有研究表明將均質后的牛乳經膜過濾，與離心分離脂肪后再經膜過濾的膜通量對比沒有顯著差異，有利于優化工藝流程[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帶來質的提升，牛乳的營養價值也因膜技術的應用得到更好利用。隨著技術的發展，尤其是膜材料和制造技術的發展，未來可通過開發出抗污染能力更強、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。