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牛奶，是最古老的天然乳制品之一。乳是幼小哺乳動(dòng)物出生后最初階段的唯一食物。乳中的物質(zhì)既提供能量，又提供了生長(zhǎng)所需的基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)。乳中還含有保護(hù)幼小動(dòng)物免受感染的多種抗體。乳制品的制作過(guò)程蘊(yùn)含著豐富的傳統(tǒng)工藝和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。然而，當(dāng)現(xiàn)代科技輕叩這扇古老的門扉，膜分離的創(chuàng)新技術(shù)，正悄然變更乳制品行業(yè)。它通過(guò)精密分離的技術(shù)，保證了牛奶的純凈度和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，為乳品的安全生產(chǎn)和品質(zhì)提升提供了強(qiáng)有力的支持。

正常牛乳中，各種成分的含量大致是穩(wěn)定的，因此可以根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)來(lái)辨別乳的好壞。乳的成分十分復(fù)雜，其中至少含有上百種化學(xué)成分，主要包括水分、脂肪、蛋白質(zhì)、乳糖、鹽類、維生素、酶類及氣體。當(dāng)受到各種因素的影響時(shí)，其含量在一定范圍內(nèi)會(huì)有所變動(dòng)，其中脂肪變動(dòng)最大，蛋白質(zhì)次之，乳糖含量通常很少變化。牛乳的主要化學(xué)成分及基本組成如下表所示。

從表上看出，水分占比86%-88%，蛋白質(zhì)含量2.8%-3.3%，脂類含量3.1%-3.6%，乳糖含量4.5%-5.0%，還有微量的礦物質(zhì)，維生素等。

膜分離技術(shù)是用于對(duì)分子和離子進(jìn)行分離的技術(shù)，是一種已被證實(shí)的分離方法，在過(guò)去的幾十年中，早在上世紀(jì)七十年代初，這項(xiàng)技術(shù)就已在乳品工業(yè)中應(yīng)用了。
如今，發(fā)達(dá)國(guó)家的乳制品工業(yè)已非常普遍地應(yīng)用了膜分離技術(shù)，且不斷地改進(jìn)該技術(shù)以繼續(xù)擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。在我國(guó)，乳品加工應(yīng)用膜分離技術(shù)尚有很大的發(fā)展空間，盡管我國(guó)乳品工業(yè)近年來(lái)發(fā)展較快，但國(guó)內(nèi)人均乳制品消費(fèi)量還較低，膜分離方面少有深加工產(chǎn)品，因此全行業(yè)大規(guī)模地應(yīng)用暫時(shí)比較少見(jiàn)。

未來(lái)，隨著我國(guó)人民生活水平的不斷提高，國(guó)內(nèi)對(duì)乳品的需求量必然增加，大家對(duì)乳制品的質(zhì)量和種類也會(huì)提出更高更多的要求，所以膜分離技術(shù)在乳制品行業(yè)的潛在市場(chǎng)很大，工業(yè)化應(yīng)用將更加廣泛。

     膜分離在乳制品行業(yè)的詳細(xì)運(yùn)用見(jiàn)下圖：

1、微濾（MF）
主要用于去除牛奶中的微生物、分離和去除乳脂肪球及較大的懸浮顆粒。微濾膜的孔徑通常在0.1至10µm之間，能有效攔截細(xì)菌而不影響乳糖、礦物質(zhì)等小分子物質(zhì)的通過(guò)。
分離脂肪球
牛乳中脂肪球的平均粒徑為3.5µm，可以通過(guò)陶瓷膜微濾分離不同粒徑的脂肪球。均質(zhì)機(jī)也可以改變脂肪球的粒徑，但是均質(zhì)機(jī)在改變脂肪球粒徑大小的同時(shí)，也改變了脂肪球的界面組成，它會(huì)使乳脂肪中由乳磷脂和膜蛋白組成的原始天然膜變成由酪蛋白和乳清蛋白組成的膜。而微濾膜分離技術(shù)就可以有效避免這一情況，微濾陶瓷膜可以在不改變脂肪球界面的情況下，將脂肪球分成各種粒徑，滿足乳品生產(chǎn)的穩(wěn)定化、多樣化。
 

 

牛奶除菌
牛乳加工中最常見(jiàn)的殺菌方式主要有巴氏殺菌（Pasteurization）和超高溫滅菌（Ultra-high Temperature，UHT）2 種熱加工類型。超高溫滅菌生產(chǎn)出來(lái)的牛乳叫做“UHT乳”，盡管UHT乳的常溫儲(chǔ)存時(shí)間較長(zhǎng)，但在超高溫過(guò)程中破壞細(xì)菌或體細(xì)胞所釋放出的耐熱型蛋白酶、脂肪酶在完成加熱后仍具有一定活力，可繼續(xù)分解蛋白質(zhì)和脂肪，造成牛奶品質(zhì)的緩慢下降。因此，在保質(zhì)期內(nèi)儲(chǔ)存時(shí)間越長(zhǎng)的UHT乳，雖然衛(wèi)生安全，卻基本無(wú)新鮮可言。
另外，在熱加工時(shí)，牛奶中蛋白質(zhì)（β-乳球蛋白、酪蛋白等）的賴氨酸殘基會(huì)與乳糖的羰基發(fā)生美拉德反應(yīng)（Maillard Reaction），進(jìn)而生成一系列使牛奶“褐變”的副產(chǎn)物。這不但影響了牛奶的外觀，而且會(huì)降低乳蛋白、氨基酸的生物學(xué)價(jià)值，部分物質(zhì)（如糠氨酸）還可能對(duì)人體有潛在的危害。

從牛奶熱處理所產(chǎn)生的副產(chǎn)物含量來(lái)看，UHT乳遠(yuǎn)高于巴氏殺菌乳。因此，巴氏殺菌乳的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值確實(shí)比UHT乳更好。而且，由于超高溫加熱會(huì)使牛奶中的乳球蛋白、脂肪球膜蛋白產(chǎn)生巰基基團(tuán)，乃至釋放硫化氫等揮發(fā)物質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致UHT乳有一定的蒸煮味，而使用溫和熱處理法的巴氏殺菌乳的風(fēng)味則更為純正自然。
為了解決上述兩種工藝中存在的突出問(wèn)題，國(guó)際主流工藝包括超巴氏殺菌、微濾結(jié)合熱加工技術(shù)等。采用陶瓷微濾膜，使用錯(cuò)流過(guò)濾對(duì)脫脂分離的牛奶進(jìn)行過(guò)濾，再進(jìn)行巴氏殺菌，不同試驗(yàn)的牛奶除菌率均達(dá)到了99.6%以上，即可在避免高溫加工的前提下生產(chǎn)出延長(zhǎng)貨架期乳（ESL乳），保質(zhì)期能夠延長(zhǎng)至20 天左右，且不會(huì)降低和破壞牛奶中的各營(yíng)養(yǎng)成分。

2、超濾（UF）
適用于脫脂或低脂牛奶的澄清和濃縮，其孔徑更小，一般在0.001至0.1微米之間，可以截留蛋白質(zhì)、部分乳糖和礦物質(zhì)，而讓水分和乳糖等小分子自由通過(guò)，達(dá)到提高蛋白含量、降低水分的目的。
酪蛋白和乳清蛋白的分離
牛奶中的酪蛋白(CN)和乳清蛋白(WP)具有顯著不同的加工特性，因此在乳品行業(yè)中二者經(jīng)常被分離開(kāi)來(lái)，用做不同的食品加工基料。分離出的酪蛋白(CN)具有良好的溶解性、熱穩(wěn)定性和酸堿穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和工業(yè)等領(lǐng)域。酪蛋白在食品工業(yè)中用作添加劑，醫(yī)藥領(lǐng)域中用于藥物傳遞系統(tǒng)，工業(yè)領(lǐng)域中用作膠粘劑和涂料的成膜劑。分離出的乳清蛋白(WP)具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、易消化吸收、含有多種活性成分等特點(diǎn)，是公認(rèn)的人體優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)補(bǔ)充劑之一，可進(jìn)一步生產(chǎn)制得濃縮乳清蛋白(WPC)、分離式乳清蛋白(WPI)、水解乳清蛋白(HWPI)等，用于嬰幼兒配方奶粉等的生產(chǎn)。

牛乳中酪蛋白主要由四種不同的酪蛋白組成，即αs1-酪蛋白 (αs1-casein)，αs2-酪蛋白 (αs2-casein)，β-酪蛋白 (β-casein)和κ-酪蛋白 (κ-casein)。每種酪蛋白都由多個(gè)肽鏈組成，這些肽鏈之間通過(guò)鍵合相互連接，形成多肽鏈復(fù)合體，復(fù)合體粒徑110nm左右。乳清蛋白中含有β-乳球蛋白、α-乳白蛋白、血清白蛋白、免疫球蛋白、乳鐵傳遞蛋白以及乳過(guò)氧物酶等多種生物活性蛋白，粒徑大約3-8nm。我們根據(jù)蛋白粒徑的大小差異，選擇合適的超濾膜對(duì)兩種蛋白進(jìn)行分離。
 

 

乳清蛋白濃縮
乳清蛋白(WP)占總?cè)榈鞍椎?0%，牛乳中維生素和礦物質(zhì)也都存在于乳清中。具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

 

濃縮乳清蛋白(WPC)是一種功能性乳蛋白配料，它廣泛用于食品加工業(yè)，比如火腿、乳蛋糕、糖果、蟹肉棒、蛋糕、嬰兒配方奶粉、運(yùn)動(dòng)飲料、配方營(yíng)養(yǎng)飼料等。濃縮乳清蛋白(WPC)可增強(qiáng)免疫功能；有利于心血管系統(tǒng)的健康；提供嬰兒的兒童母乳化的功能食品；有利于肌肉健壯和增強(qiáng)體力、提高運(yùn)動(dòng)效果；改善精神面貌、提高工作和學(xué)習(xí)效率；增強(qiáng)骨骼；有利于保健最佳體重；為乳糖不耐癥、酪蛋白和谷蛋白過(guò)敏者提供優(yōu)質(zhì)蛋白；減少皮膚皺紋和光老化，促進(jìn)傷口愈合；延年益壽。

生產(chǎn)濃縮乳清蛋白（WPC）采用超濾技術(shù)，滲透物中含有乳清大部分的乳糖、礦物質(zhì)和水分。滯留物約占原料乳清體積的1-4%，根據(jù)需要可以將滯留物噴霧干燥制成蛋白質(zhì)含量35-85%的濃縮乳清蛋白粉。

3、納濾（NF）
孔徑更小，約為0.001微米，主要用于去除乳糖或特定離子，保留蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)，適合生產(chǎn)低乳糖或特定礦物質(zhì)比例的牛奶產(chǎn)品。
原料乳的濃縮
納濾膜技術(shù)具有選擇性去除離子的性能優(yōu)勢(shì)，其效果介于超濾和反滲透之間。在乳品生產(chǎn)中，可以利用納濾膜濃縮原料乳，增加牛乳中蛋白質(zhì)和脂肪及固形物濃度。這一過(guò)程中，納濾膜能夠高效地截留乳糖和其他大分子物質(zhì)，同時(shí)允許部分水和低價(jià)離子透過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)原料乳的有效濃縮。這種濃縮方式不僅提高了牛乳的品質(zhì)，還減少了后續(xù)加工過(guò)程中增稠劑的使用，有利于保持奶質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。
乳清脫鹽
在乳品生產(chǎn)過(guò)程中，乳清的處理是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。乳清中含有大量的鹽分和其他雜質(zhì)，這些物質(zhì)如果不加以處理，會(huì)影響最終產(chǎn)品的口感和品質(zhì)。納濾膜技術(shù)能夠高效地去除乳清中的鹽分和雜質(zhì)，同時(shí)保留其中的有益成分，如鈣離子等。納濾膜技術(shù)能廉價(jià)除去一般甜乳清的鹽味，能夠降低甜乳清粉中的“咸味感”，能為乳清更徹底脫鹽處理的電滲析和離子交換作好預(yù)備工作。去除HCl和乳酸，要注意其過(guò)濾速率比乳酸鹽離子低，但比游離的乳酸分子要高。可用于加鹽乳清的脫鹽。這一特性使得納濾膜技術(shù)在乳清除鹽方面得到了廣泛應(yīng)用。
提高乳品質(zhì)量和口感
通過(guò)納濾膜技術(shù)處理牛乳，可以有效地去除其中的有害物質(zhì)和雜質(zhì)，提高乳品的安全性和衛(wèi)生質(zhì)量。同時(shí)，納濾膜技術(shù)還能夠保留乳品中的風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使乳品更加美味和營(yíng)養(yǎng)。此外，納濾膜技術(shù)還可以減少生產(chǎn)中的熱處理對(duì)蛋白質(zhì)的影響，從而進(jìn)一步提高乳品的品質(zhì)。
減少食品添加劑的使用
在乳品生產(chǎn)過(guò)程中，為了改善產(chǎn)品的口感和延長(zhǎng)保質(zhì)期，往往需要添加一些食品添加劑。然而，過(guò)多的食品添加劑可能會(huì)影響產(chǎn)品的品質(zhì)和消費(fèi)者的健康。納濾膜技術(shù)通過(guò)濃縮和純化牛乳中的有益成分，可以減少對(duì)食品添加劑的依賴，從而生產(chǎn)出更加健康、天然的乳品。

綜上所述，納濾技術(shù)在牛乳中的應(yīng)用具有廣泛的前景和重要的價(jià)值。它不僅能夠提高乳品的品質(zhì)和口感，還能夠減少食品添加劑的使用和生產(chǎn)成本，為乳品行業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。

4、反滲透（RO）
具有非常小的孔徑，一般用于水的徹底凈化，雖然在牛奶除雜中應(yīng)用較少，但在特定情況下可作為深度脫鹽或濃縮工藝的一部分。

目前國(guó)內(nèi)乳品行業(yè)中牛乳的濃縮通常采用多效蒸發(fā)法，這種方法能耗高，較長(zhǎng)時(shí)間的高溫加熱會(huì)破壞牛奶中的蛋白質(zhì),會(huì)加速美拉德反應(yīng)。事實(shí)上,大多數(shù)企業(yè)采用多級(jí)閃蒸的方法濃縮牛奶,采用較高的溫度(一般為90-120℃)會(huì)導(dǎo)致牛乳中酪蛋白、維生素氨基酸和乳糖等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的破壞，特別是對(duì)免疫球蛋白等活性物質(zhì)破壞,從而大大降低牛初乳的保健功效。采用反滲透膜分離工藝可在常溫甚至低溫下濃縮牛乳，能達(dá)到節(jié)能和防止?fàn)I養(yǎng)成分被破壞的目的。

利用反滲透濃縮脫脂乳濃時(shí)發(fā)現(xiàn),所有營(yíng)養(yǎng)組分的截留率均在98%以上。反滲透膜在乳品行業(yè)有較好的優(yōu)點(diǎn),利用反滲透對(duì)脫脂乳濃縮可以最大程度地保留鈣等營(yíng)養(yǎng)成分,且產(chǎn)品具有較好的熱穩(wěn)定性。并且利用反滲透法濃縮牛奶中細(xì)菌的生長(zhǎng)率與原奶中的幾乎沒(méi)區(qū)別，甚至所研究的五種細(xì)菌中的三種,在反滲透法濃縮奶中的生長(zhǎng)比在原奶中還要緩慢。

我國(guó)牧區(qū)幅員廣，產(chǎn)奶地點(diǎn)相對(duì)分散，交通不便，給鮮奶運(yùn)輸帶來(lái)很大困難，如果能就地用膜分離技術(shù)加工或經(jīng)濃縮后集中加工，可大大減少損耗，節(jié)省運(yùn)輸費(fèi)用。

用反滲透膜濃縮牛乳，可明顯降低運(yùn)行成本，提升乳品的綜合使用率，水能耗遠(yuǎn)低于蒸發(fā)工藝。牛乳膜濃縮設(shè)備運(yùn)行操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，對(duì)環(huán)境污染小，具有很高的分離效率，是當(dāng)下和未來(lái)將更廣泛應(yīng)用的一種生產(chǎn)工藝。

膜分離技術(shù)在乳制品行業(yè)中的應(yīng)用具有多方面的優(yōu)勢(shì)，包括提高產(chǎn)品品質(zhì)、延長(zhǎng)保質(zhì)期、降低生產(chǎn)成本等。然而，膜污染和通量衰減是該技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)。通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化操作條件，可以有效提高膜的抗污染性能和使用壽命。

隨著膜分離技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，它在乳制品行業(yè)中的作用日益凸顯。這一技術(shù)不僅提升了產(chǎn)品的品質(zhì)和安全性，還促進(jìn)了乳制品行業(yè)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型。膜分離技術(shù)的應(yīng)用，是對(duì)傳統(tǒng)工藝的尊重與創(chuàng)新，也是對(duì)消費(fèi)者健康需求的深刻回應(yīng)。膜分離的運(yùn)用廣泛，后續(xù)我們會(huì)繼續(xù)探討，大家也可以在評(píng)論區(qū)留言交流膜分離的未來(lái)發(fā)展，以及它如何更好地服務(wù)于人類對(duì)健康和美味的追求。