牛奶产品制备过程中常用的分离提取技术

牛奶产品制备过程中常用的分离提取技术摘要：本文从牛奶的主要成分及乳制品工业方面，概括介绍了乳制品制作过程中常用的分离制备方法：膜分离、色谱分离及等电点分离技术的原理及在制作过程中的相关应用。并总结了：只有几种技术互相配合相辅相成，才能发挥各自最好的作用。关键词：牛奶组成；膜分离；吸附分离；等电点分离CommonlyusedseparationandextractiontechnologiesduringthepreparationofmilkproductsAbstract：Thispaperbrieflyintroducesthedairyproductionprocessofcommonlyusedseparationpreparationmethods,suchasmembraneseparation,chromatographicseparationandisoelectricseparationtechnologyfromthemilkofmaincompositionanddairyindustry,esperciallytheprincipleandthemanufactureprocessinrelevantapplications.Andsummarized:onlyafewtechnicalcooperatewitheachother,canplaytheirbest.Keywords：Thecompositionofmilk;membraneseparation;chromatographicseparation;isoelectricseparation.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牛乳的组成主要成分变动范围（%）平均值（%）水分85.5-89.587.0总固体10.5-14.513.0脂肪2.5-6.03.9蛋白质2.9-5.03.4乳糖3.6-5.54.8矿物质0.6-0.90.8其他0.14注：其中脂肪、蛋白质、乳糖、矿物质、其他统称为总乳固体（milksolid）；蛋白质、乳糖、矿物质、其他统称为非脂乳固体（milksolidnon-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0.01~0.2MPa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50~500000u,相应膜孔径大小的近似值为2～50nm(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200~1000u的范围内,膜孔径小于2nm,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。乳品工业中主要用于乳清的部分脱盐。纳滤膜的紧密性高于超滤,截留乳糖效果大[7]。2.1.3.1CIP酸碱的回收采用纳滤可以回收90%以上的CIP酸碱废水，因此不仅可以节约90%以上的CIP酸碱的清洗成本，同时避免了环境污染，具有显著的经济效益和社会效益。2.1.3.2乳清废水的处理纳滤可以同时回收乳清废水中的乳糖，进一步降低乳清废水的BOD值，减少环境污染。2.1.3.3乳糖的生产在回收乳糖的过程中，采用纳滤技术可滤掉其中的矿物质，增加乳糖的纯度。2.1.4反渗透（RO）在高于溶液渗透压的压力作用下,只有溶液中的水透过膜,而所有溶液中大分子、小分子有机物及无机盐全被截留住。分离的基本原理是溶解扩散(也有毛细孔流学说)。“膜孔径”为0.1～1nm。乳品工业中主要用于牛奶浓缩及乳清的浓缩分离。2.1.4.1奶粉预浓缩加工奶粉时，采用反渗透进行预浓缩，可以使浓缩终点的最高固形物含量达到30%，反渗透预浓缩一方面节省了能耗，另一方面减少了热损失。2.1.4.2冰激凌生产反渗透是冷浓缩技术，不仅节省能耗，而且避免了蒸发浓缩产生的蒸煮味或焦煳味，使冰激凌味道更加香浓、2.1.4.3废水处理。反渗透可以截留乳制品废水中几乎所有的污染物，透析液可以回用到锅炉用水或CIP系统。2.2吸附分离技术在乳品中的应用2.2.1高效液相色谱法[8]高效液相色谱法的原理是使用固体吸附剂，被分离组分在色谱柱上分离原理是根据固定相对组分吸附力大小不同而分离。分离过程是一个吸附－解吸附的平衡过程。常用的吸附剂为硅胶或氧化铝，粒度5~10μm。适用于分离分子量200~1000的组分，大多数用于非离子型化合物，离子型化合物易产生拖尾。常用于分离同分异构体。采用基质固相分散技术,对牛奶中己烯雌酚(DES)、己烷雌酚(HEX)和双烯雌酚(DS)残留进行提取和净化处理,并通过高效液相色谱进行分离。研究雌激素在C18,Florisil和N2丙基乙二胺(PSA)填料的保留行为,并研究不同流动相和色谱柱对3种雌激素的分离。实验结果表明，本方法可对样品进行灵敏、准确的定性定量分析。2.2.2阴阳离子色谱交换法[2]离子交换色谱法的原理是因溶质分子带不同性质的电荷和不同电荷量，可在固定相和移动相之间发生可逆交换作用，使溶质移动速度变化，从而达分离目的。通过对牛初乳原料进行酸化到pH4.0制备得到乳酸清，经过50,000截留分子量超滤，回调pH6.8，制备离子交换原料，用阳离子交换柱吸附Lf，阴离子交换柱吸附IgG，阳离子柱采用1.6％，5.0％NaCl阶越洗脱，得到Lf产品，阴离子柱采用pH5.1洗脱IgG产品[9]。采用高效液相色谱检测所得产品纯度，ELISA法检测产品生物活性并计算Lf与IgG回收率[10]。2.3等电点分离技术在乳品中的应用等电点(pI)是两性物质在其质点的净电荷为零时介质的pH值。利用两性生化物质在等电点时溶解度最低，以及不同的两性生化物质具有不同的等电点这一特性，对蛋白质、氨基酸等两性生化物质进行分离纯化的方法称为等电点沉淀法。2.3.1酪蛋白的分离[11]牛奶中酪蛋白含量约为2.6g/100mL,占牛奶中蛋白质总量的80%。对于同一品种的奶牛,其乳中酪蛋白含量比较稳定,一般很少受季节、饲料等的影响。因此,牛奶中酪蛋白含量可作为一个质量指标来判断牛奶质量优劣和是否掺假等。酪蛋白是一些含磷蛋白的混合物,它由αs1、αs2、β和K-酪蛋白组成,这些混合物的平均等电点约为4.7。利用在等电点时蛋白质溶解度最低的原理,在一定温度下用缓冲液将牛奶pH值调至等电点,酪蛋白发生沉淀,然后用水和有机溶剂洗涤共沉的杂蛋白、乳糖和脂类物质等杂质,得到纯品酪蛋白。2.3.2过敏原组分的分离[12]牛奶是母乳特别重要的替代品,也是新生儿最早接触到的过敏原,因而牛奶过敏是儿童尤其3岁内最常见的食物过敏。牛奶过敏症防治的关键是其致敏组分的分离纯化及标准化。天然牛奶中包含32种以上有致敏潜能的蛋白质,其中在牛奶过敏原制剂工业及牛奶过敏临床应用中占有重要地位的有:酪蛋白、β2乳球蛋白和α2乳白蛋白。采用等电点沉淀、SephadexG250凝胶层析和DE2AE2Sepharose离子交换层析等技术分离、纯化牛奶过敏原