牛奶产品制备过程中常用的分离提取技术

1、 前言

1.1概述

牛奶是母牛产犊后，为给小牛提供生长所需的营养，而从乳腺分泌的一种具有胶体特性的生物学液体。其色泽呈乳白或微黄色，不透明，味微甜并有牛乳特有的香味。它是牛犊出生后唯一的食物，含有牛犊生长发育所需的各种营养成分和保护其免受感染的抗体。

小牛出生后一周内的奶称为牛初乳。其中含有大量的生物活性物质，包括免疫物质，如免疫球蛋白（Ig）等[1]。牛初乳因其中组分与正常牛乳的差异较大，且乳清蛋白的含量很高，还有部分血液，故不可以直接用于一般的乳品加工中[2]。

1.2牛奶的组成

牛奶的组成决定了它的营养性、作为食品原料的加工性能及其它价值。

表1牛乳的组成

注：其中脂肪、蛋白质、乳糖、矿物质、其他统称为总乳固体（milk solid）；蛋白质、乳糖、矿物质、其他统称为非脂乳固体（milk solid non-fat)。

牛奶中的蛋白质是乳中的主要含氮物质。其中95%是乳蛋白质，5%是非蛋白态氮。乳蛋白质包括酪蛋白、乳清蛋白和少量的脂肪球膜蛋白。

酪蛋白不是单一的蛋白质，它是一类既相似又相异的蛋白质组成的复杂物质。包括αS1-酪蛋白、αS2-酪蛋白、β-酪蛋白、κ-酪蛋白，β-酪蛋白水解又产生γ-酪蛋白、肽和肟等。

乳清蛋白中有对热不稳定的乳白蛋白和乳球蛋白，还有对热稳定的肟和胨。

乳中包含多种“微量蛋白”如酶。

乳脂肪中包括多种脂类，其中98%以上是甘油三酸酯，另外还有一些胆固醇、二羧酸甘油酯、游离脂肪酸、磷脂和脑苷等。

乳糖是仅在乳中存在的糖类，牛乳中的碳水化合物中99.8%以上为乳糖。它是一种还原性的双糖，由葡萄糖和半乳糖合成，使牛乳略带甜味，也是微生物在乳中生长的主要碳源。

无机盐是乳中主要的矿物质，主要有磷、钙、镁、钠钾、氯、硫等，此外，还有一些微量元素。牛乳中的无机物大部分与有机酸结合成盐类，其中钠、钾、氯绝大部分电离成离子，呈溶解状态存在；钙、镁小部分呈离子状态，大部分与酪蛋白、磷酸、柠檬酸结合呈胶体状态；磷是酪蛋白、磷脂、及有机酸脂的成分。

乳中主要的有机酸是柠檬酸，此外，还有微量的乳酸、丙酮酸、及马尿酸等。柠檬酸的平均含量约为0.18%，它以盐类状态存在，除了是酪蛋白胶粒的成分外，还存在着离子态及分子态的柠檬酸钙。

牛奶中的维生素，既有水溶性的，VA、VD、VE、VK；也有脂溶性的，VB、VC等。

牛奶中所含的细胞成分是白血球和一些上皮细胞，也有一些红血球。体细胞数是奶牛健康状况的标志之一，正常牛乳中不超过50万个/ml。

2、 牛奶中组分的常用分离提取方法举例

2.1膜分离技术在乳品中的应用[3，4]

膜分离技术被誉为20世纪末至21世纪最有发展前途的生产技术之一，为满足消费者对牛奶和其他乳制品不断提高的需求，膜分离技术正越来越广泛地用于改造和变革乳制品的传统工艺乳制品行业中采取膜分离技术可以简化工艺，降低能耗，减少废水污染，提高乳制品品质，提高乳制品综合利用率等。

乳品工业应用的膜分离方式主要有：微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）。

2.1.1微滤（MF）

利用筛分原理，分离、截留直径为0.05μm到10μm大小粒子的膜分离技术。膜的孔径大约0.1～10μm，其操作压力在0.01~0.2 MPa左右。微滤操作过程分死端过滤和错流过滤两种方式。在死端过滤时，溶剂和小于膜孔的溶质粒子在压力的推动下透过膜，大于膜孔的溶质粒子被截留，通常堆积在膜面上。随着时间的增加，膜面上堆积的颗粒越来越多，膜的渗透性将下降，这时必须停下来清洗膜表面或更换膜。错流过滤是在压力推动下料液平行于膜面流动，把膜面上的滞留物带走，从而使膜污染保持一个较低的水平。在处理牛奶时，它可以过滤蛋白质而截留脂肪球、微生物和体细胞[5]。

2.1.1.1除菌

微滤可以截留脱脂乳中99.99%的细菌孢子和体细胞一方面微滤可以作为巴氏杀菌的预处理工艺来延长液态奶的货架期；另一方面采用了微滤除菌ESL奶，保持了牛奶的原汁原味和较高营养价值。

2.1.1.2酪蛋白与乳清蛋白分离

酪蛋白在牛奶中是以胶体束形式存在的，因此选择合适的微滤膜可以将绝大部分的酪蛋白截留，而让大部分乳清蛋白透过。

2.1.2超滤（UF）

超滤的分离原理可基本理解为筛分原理，但有些情况下受到粒子荷电性与荷电膜相互作用影响。截留分子量范围为50~500 000 u，相应膜孔径大小的近似值为2～50 nm( 0.002～0.05μm)。主要用于全奶及脱脂奶浓缩、乳蛋白质的分级分离( Fractionation) ，或使乳蛋白质与乳清(含乳糖和盐类)分离，其他较大颗粒如微生物或脂肪球也同样被截留。另外对酶的回收及乳糖水解等也都可利用超滤[6]。

2.1.2.1乳清废水处理

超滤可以回收乳清废水中所有大分子有机物（主要是乳清蛋白），极大降低乳清废水中的BOD，减轻环境污染。

2.1.2.2奶酪生产

在凝乳工艺之前，采用超滤浓缩的方法，一方面可以减少乳清废水的处理量，另一方面还可以提高产品产量。

2.1.2.3奶粉预浓缩

超滤可使预浓缩终点的最高固形物含量高达30%，不仅可以在浓缩蛋白的同时不增加乳糖含量，还节省了能耗，减少了产品的热损失。

2.1.2.4冰激凌生产

采用超滤可以调节牛乳中乳糖及其他小分子碳水化合物的比例，同时通过增加冰激凌蛋白含量来改善料液的流动性。

2.1.2.5乳清粉的生产

采用超滤不仅可以浓缩乳清，而且可以过滤乳清中的乳糖和矿物质，增加乳清浓缩液的纯度目前超滤是生产WPC/WPI的关键工艺之一。

2.1.3纳滤（NF）

纳滤膜即超低压反渗透膜，又称疏松型反渗透膜。纳滤是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术，其截留分子量在200~1000 u的范围内，膜孔径小于2 nm，为纳米级。它的分离机理相似于反渗透，是溶解扩散原理。从结构上来看纳滤膜大多是复合型膜，即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同，在纳滤膜表面有一层均匀的超薄脱盐层，比反渗透膜疏松得多，操作压力比反渗透低，因而纳滤也可认为是低压反渗滤技术。乳品工业中主要