酪蛋白胶束粉的陶瓷膜分离生产工艺

第29卷第9期农业工程学报Vol.29No.92013年5月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringMay20131酪蛋白胶束粉的陶瓷膜分离生产工艺陈建行1，刘鹭1，孙颜君1,2，苏燕玲1，张书文1，孔凡丕1，蒋士龙3，吕加平1※（1.中国农业科学院农产品加工研究所，农业部农产品加工综合性重点实验室，北京100193；2.西北农林科技大学食品科学与工程学院，杨凌712100；3.黑龙江飞鹤乳业有限公司，齐齐哈尔，161800）摘要：为尽快建立酪蛋白胶束粉(micellarcaseinconcentrate,MCC)的中试生产线，实现MCC在国内的工业化生产，该研究通过测定牛乳蛋白粒径，选取孔径40和100nm的中空纤维陶瓷膜进行膜分离效果的对比，并选用膜分离效果较佳的陶瓷膜进行最佳操作参数的确定及稀释过滤工艺的研究，最后将自制MCC和进口MCC进行品质特性对比并分析其工业化生产的可能性。结果表明：孔径40nm中空纤维陶瓷膜与孔径100nm中空纤维陶瓷膜相比，渗透液中不含酪蛋白，能够减少酪蛋白损失，更适合于酪蛋白和乳清蛋白的分离，孔径40nm中空纤维陶瓷膜的最佳操作参数为操作压力2×105Pa，料液温度50℃；采用四段式的连续稀释过滤工艺，可使料液中酪蛋白占真蛋白的比例从69.39%提升至93.34%，真蛋白占干物质的比例从38.45%提升至88.15%；稀释过滤完毕后膜的纯水通量衰减了39.98%，经生物酶清洗液清洗后膜的纯水通量恢复至初始的98.02%；自制MCC在成分组成上与加拿大Proteinco公司生产的MCC相比差异不显著（p0.05），但在溶解度和粉粒的微观形态上优于ProteincoMCC；生产1kgMCC需要原料乳46.24L，成本为244.58元，可实现其国内工业化生产。研究结果为实现MCC在国内工业化生产及其应用性研究提供参考。关键词：酪蛋白胶束粉，陶瓷膜，膜分离，稀释过滤doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.09.000中图分类号：TS252.41文献标志码：A文章编号：1002-6819(2013)-09-0000-11陈建行，刘鹭，孙颜君，等.酪蛋白胶束粉的陶瓷膜分离生产工艺[J].农业工程学报，2013，29(9)：×－×.ChenJianhang,LiuLu,SunYanjun,etal.Pilotscaleproductionprocessofmicellarcaseinconcentratepowder[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2013,29(9):－.(inChinesewithEnglishabstract)0引言膜技术因具有操作温度低、节能、无污染等优点，已在乳品工业中取得广泛应用[1-2]，其中应用膜技术分离酪蛋白和乳清蛋白已成为目前国内外研究的热点[3-4]。应用膜技术分离脱脂乳中酪蛋白和乳清蛋白是基于各组分直径或分子量的不同，大部分乳清蛋白、乳糖、矿物质和水能透过膜成为渗透液，小部分乳清蛋白、乳糖和矿物质将和酪蛋白一起存留在截留液中。为了最大程度地脱除截留液中残留收稿日期：2012-10-29修订日期：2013-03-04项目资助：国家十二五科技支撑课题资助（2011BAD09B01），北京市重大科技计划项目资助（D101105046010002）作者简介：陈建行（1986－），男，河北衡水人，研究方向为乳品加工。北京中国农业科学院农产品加工研究所，100193。Email:[e-mail]※通信作者：吕加平，（1963－），男，研究员，博士生导师，研究方向为食品微生物与乳品科学。北京中国农业科学院农产品加工研究所，100193。Email:[e-mail]的乳清蛋白、乳糖和矿物质等，提高酪蛋白的纯度，在制备酪蛋白胶束浓缩液时需要多次加水进行稀释过滤，最终得到的酪蛋白浓缩液经喷雾干燥制备为酪蛋白胶束粉（MCC,micellarcaseinconcentrate）[5-6]。MCC作为一种功能性乳基料，其酪蛋白占真蛋白的质量分数在90%以上，真蛋白质量分数在85%以上，并具有低乳糖、低脂肪及高钙等特点[7]，与传统的酸沉和酶凝酪蛋白产品相比，因没有乳的酸凝和酶凝过程而使得乳蛋白的天然胶束结构未被破坏，因此，具有更好的溶解性、起泡性和风味[8]。目前，MCC已广泛应用于食品工业中，国内需求的MCC主要依赖进口，且需求量在逐年增加。Zulewska等[9]分别使用孔径0.1μm均一压差陶瓷膜、孔径0.1μm梯度渗透陶瓷膜和孔径0.3μm卷式有机膜将脱脂乳浓缩3倍，研究结果发现三者对乳清蛋白的脱除率分别为64%、61%和38%。Beckman等[10]使用孔径0.3μm卷式有机膜对脱脂乳进行三段式稀释过滤，研究结果发现对乳清蛋白脱除率为70.3%，而Hurt等[11]使用孔径0.1μm的均一压差陶瓷膜对脱脂乳进行同样处理后发现乳农业工程学报2013年2清蛋白脱除率高达95%以上。由此可见：孔径0.1μm的均一压差陶瓷膜更适合于分离酪蛋白和乳清蛋白，渗透液中酪蛋白的质量分数为0.20%，渗透液呈现白色浑浊，严重降低了MCC得率[11]。董晶莹等[12]使用孔径0.14m多通道不对称陶瓷膜将脱脂乳直接浓缩9倍，实现了酪蛋白和乳清蛋白的膜分离，但该过程中膜的通量由93L/(m2·h)降低至13L/(m2·h)，膜污染严重。刘艳平等[13]采用切割分子量为300kDa的管式陶瓷膜对脱脂乳进行浓缩，发现渗透液中乳清蛋白占真蛋白的百分比达98.91%，但该设备的膜通量仅为0.12L/(m2·h)，其工艺参数无法应用于工业化生产。迄今为止，国外使用孔径0.1μm的均一压差陶瓷膜虽有效去除了乳清蛋白，但膜分离过程中仍有部分酪蛋白渗透，严重影响了MCC得率[11]；国内在此方面的研究仍无法应用于实际生产[12-13]。本研究根据牛乳蛋白粒径的测定结果，选用2种不同孔径的陶瓷膜进行脱脂乳酪蛋白与乳清蛋白膜分离效果的对比研究，然后，对分离效果较好的膜进行操作参数优化及稀释过滤工艺的研究，最后，将喷雾干燥所得MCC与商品化ProteincoMCC进行对比并分析其工业化生产的可能性，选出适合酪蛋白和乳清蛋白分离的陶瓷膜，减少酪蛋白的渗透，并建立一套由巴氏杀菌、离心脱脂、稀释过滤、蒸发浓缩和喷雾干燥构成的MCC中试生产工艺，为MCC在国内的工业化生产提供参考。1材料与方法1.1材料与试剂原料乳80kg（蛋白质、乳糖、脂肪和灰分的质量分数分别为2.98%、4.58%、3.98%、0.67%，中国农业大学动物科学学院奶牛场），硫酸、硫酸铜、硫酸钾、硼酸、氢氧化钠、盐酸（均为分析纯），孔径100和40nm的中空纤维陶瓷膜各一套（新加坡凯能高科技工程有限公司），膜清洗专用酶制剂（酶活力6×104U/g，诺维信中国生物技术有限公司），ProteincoMCC1kg（加拿大Proteinco公司）。1.2仪器与设备沃迪杀菌机（上海沃迪科技有限公司），FT-15碟片式离心机（英国armfield公司），HFC-400陶瓷膜中试设备（新加坡凯能高科技工程有限公司，见图1），Foss-2300全自动微量凯式定氮仪（丹麦Foss集团有限公司），EPS301电泳仪（美国GEhealthcare公司），AlphaEase®FC凝胶成像系统（美国Alpha公司），MicrotracS3500激光粒度分析仪（美国麦奇克有限公司），GEANiro喷雾干燥机（德国GEA工程技术中国有限公司），薄膜蒸发装置（上海德大天壹化工设备有限公司），Quanta200FEG场发射环境扫描电镜（美国FEI公司）。图1HFC-400陶瓷膜中试设备Fig.1SchematicofHFC-400pilotplantequipmentforceramicmembrane1.3方法1.3.1试验设计流程测定脱脂乳蛋白粒径→根据粒径范围选取孔径100、40nm的陶瓷膜，并对比膜分离的效果→对分离效果较好的孔径40nm的陶瓷膜进行操作参数优化→选用孔径40nm的陶瓷膜进行四段式连续稀释过滤工艺，动态监测该过程的相关指标参数的变化→膜的污染与清洗→蒸发浓缩并喷雾干燥得MCC粉→自制MCC与ProteincoMCC进行对比→工业化生产的可行性分析。1.3.2脱脂乳蛋白质粒径测定取2L原料乳，经FT-15碟片式离心机连续脱脂2次，使脂肪的质量分数控制在0.07%范围内。使用MicrotracS3500激光粒度分析仪湿法进样测定脱脂乳蛋白质粒径。1.3.3100nm陶瓷膜和40nm陶瓷膜分离效果比较膜分离工艺流程：原料乳80kg→巴氏杀菌（72℃，15s）[14]→离心脱脂（转速15000r/min,流速100kg/h）→脱脂乳72kg→分两等份，料液分别过40nm陶瓷膜和100nm陶瓷膜→过滤浓缩3倍（操作压力1.5×105Pa，两膜污染不严重；温度选为45℃，料液黏度低，且可防止乳清蛋白变性）→截留液约12kg，渗透液约24kg。浓缩倍数的计算公式[12]：CF=Vi/(Vi−Vp)，Vi为脱脂乳的体积，L；Vp为浓缩到某一时刻的渗透液体积，L。膜分离效果的定性分析：采用SDS-PAGE电泳判定膜分离截留液和滤过液中蛋白种类和大致含量。其分离胶质量分数为12%，浓缩胶质量分数为5%，其中脱脂乳稀释12倍，截留液均稀释30倍，渗透液均稀释2倍，与5倍样品缓冲液（体积比1∶1）混合，沸水浴5min，取10μL上样，电泳结束后进行染色、脱色至条带清晰并摄像。第9期陈建行等：酪蛋白胶束粉的陶瓷膜分离生产工艺3膜分离效果的定量分析：采用凯式定氮的方法，分别测定脱脂乳、截留液和渗透液中的总氮、非蛋白氮和非酪蛋白氮，其中总氮按照GB-5009.5-2010方法测定，非蛋白氮参照GB/T-2008方法测定，截留液中非酪蛋白氮的测定采用文献[15]方法，渗透液中非酪蛋白氮的测定采用文献[16]方法。1.3.440nm陶瓷膜操作参数优化操作温度对膜通量的影响：将操作压力固定为2×105Pa，分别在料液温度为30、40、50℃时对质量均为36kg的脱脂乳样进行过滤浓缩，每隔10min测定各不同温度下膜通量随时间的变化。操作压力对膜通量的影响：将料液温度固定为50℃，分别在操作压力为105、1.5×105、2×105和2.5×105Pa条件下对36kg脱脂乳浓缩3倍，观察在不同操作压力下膜通量随时间的变化。膜通量：单位时间、单位膜面积透过液的体积。用秒表记录1min内透过液的体积，然后按照下列公式[13]计算：J=60V/At式中，J为膜通量，L/(m2·h)；60为每小时的分钟数，min/h；V为1min内渗透液的体积，L；A为膜面积，m2；t为时间，min。1.3.5脱脂乳稀释过滤工艺研究工艺流程：原料乳40kg→巴氏杀菌（72℃，15s）→离心脱脂→脱脂乳36kg→孔径40nm陶瓷膜浓缩3倍(操作压力2×105Pa，料液温度50℃)，补水24kg→浓缩3倍，补水24kg→浓缩3倍，补水24kg→浓缩6倍，最终得截留液5.45kg。稀释过滤过程中组分的动态监测：分别对截留液和渗透液中的蛋白质、乳糖、矿物质和固形物质量分数进行动态测定，其中蛋白质的质量分数采用GB5009.5-2010方法测定，乳糖的质量分数采用SNT0871-2000方法测定，灰分的质量分数按照GB5009.4-2010方法测定，固形物质量分数采用GB5009.3-2010中的直接干燥法测定。膜对物质A截留率和透过率的计算[17]：截留率=1−Cp/CR×100%；透过率=Cp/CR×100%；其中Cp为渗透液中物质A的质量分数(%)，CR为截留液中物质A的质量分数(%)，物质A可为脱脂乳中的蛋白质、乳糖或灰