文/滕国新 于瑞红

（1北京城市学院；2新疆瑞源乳业有限公司）

不同处理参数对乳清的理化性质及超滤膜通量的影响

文/滕国新1于瑞红2

（1北京城市学院；2新疆瑞源乳业有限公司）

乳清是生产奶酪的副产品，生产1 t奶酪产生9 t的乳清，乳清中含有珍贵的乳清蛋白，直接排放进行污水处理，不仅造成资源浪费、成本增加，而且对环境污染严重。乳清的加工利用成为需要尽快解决的一个迫切问题。牛奶加工处理参数对乳清的理化性质的影响还未见详细的研究报道。通过该研究，探求适宜的牛奶的处理方法，来满足国内对乳清蛋白的利用需求。研究发现，不同发酵工艺和时间造成乳清有不同的pH值，不同的pH值对乳清中成分变化是有影响的。随着热处理温度的升高，乳清蛋白的含量逐渐从0.68%降低到0.64%。热处理对脂肪影响不大。随着乳清的pH值的升高，乳清的膜通量变化比较接近没有显著的差异。超滤过程中，随着截留液中固形物含量的增加，膜通量不断减小，截留液中蛋白质浓度也在不断增加，蛋白质浓度从0.87%增加到2.10%～3.00%，膜通量降低了3.12 倍。

乳清处理；加工参数；膜通量

1 前言

乳清是生产奶酪的副产品，生产1 t奶酪产生9 t的乳清。乳清中含有珍贵的乳清蛋白，直接排放进行污水处理，不仅造成资源浪费、成本增加，而且造成严重的环境污染。国外非常重视乳清的综合开发与利用。国家《乳制品工业产业政策》也明确提出了对干酪加工技术和乳清综合利用技术的支持，因此乳清的加工利用成为需要尽快解决的一个迫切问题。膜分离技术具有能耗低、分离过程中物质不发生相变、分离效果好、操作简便、无副作用、无二次污染、分离产物易于回收等优点，已被广泛应用于工业生产中的产品分离、纯化等[1，2]。从工业企业排放的废水中回收有价值的物质，并使废水达到排放标准或回收用于生产工序之中，已成为工业废水处理中最易被企业接受的处理方法。乳清蛋白粉可作为婴儿配方乳粉或其它食品的配料，市场前景看好。将膜分离技术应用于乳清废水的处理，为充分开发利用乳清资源提供了一种行之有效的方法。牛奶加工处理过程对乳清的理化性质的影响，直接影响乳清的提取和利用的研究，还未见详细的报道，因此需要深入研究。通过该研究，探求适宜的牛奶处理方法，来满足对乳清蛋白利用技术的需求[3]。

2 研究方法与材料

2.1 试验材料

超滤膜（截留分子量为6 000道尔顿，KOCH提供）为聚砜中空纤维膜组件，外壳为ABS 材质。膜组件内膜丝数750 根，单个膜丝长度1 016 mm，纤维膜内径113 mm，纤维膜外径119 mm，膜面积418 m2。乳酸、甘油等试剂为实验室常用分析纯试剂。

2.2 主要仪器

本试验采用的主要仪器见表1。

2.3 试验方法

2.3.1 蛋白质含量的测定

试剂甲：（A）10 g碳酸钠、2 g氢氧化钠和0.25 g酒石酸钾钠溶解于500 mL蒸馏水中；（B）称0.5 g硫酸铜（CuSO4·5H2O）溶解于100 mL蒸馏水中，每次用前按（A）：（B）=50：1混合。试剂乙：Folin-酚试剂。

标准蛋白溶液：取结晶牛血清白蛋白2.5 mg溶于10 mL蒸馏水中，即成250 μg/mL。配制不同浓度的蛋白溶液，浓度分别为0、50、250 μg/mL。取1 mL蛋白质溶液，加入试剂甲5 mL，混合10 min后，加入试剂乙0.50 mL，水0.98 mL，迅速混匀，放置在25～40 ℃下显色40 min后，650 nm比色。以蛋白质含量为横坐标，光密度值（OD值）为纵坐标制作出标准曲线。

20 μL的发酵液加入试剂甲5 mL，试剂乙0.50 mL，水0.98 mL，迅速混匀后，放置在25～40 ℃下显色40 min后，650 nm比色，测得样品的光密度值（OD值）。代入蛋白质含量标准曲线，计算蛋白质含量。标准曲线的制作方法与蛋白质的测定方法相同，将样品替换成牛血清白蛋白标准溶液来建立标准曲线[4，5]。

2.3.2 脂肪的测定

哥特里-罗紫法[4]。

2.3.3 pH值的测定

取20 mL样品放置在50 mL玻璃烧杯中，水浴调整样品的温度为20 ℃，把数字pH计的探头放入测定样品液体中，待仪表盘数值稳定后记录pH值[5～6]。

2.3.4 膜通量的测定方法

乳清液体在搅拌的过程中，经200 目滤网过滤，清液由离心泵高速泵入超滤系统，采用全回流操作

方式。超滤时调节溶液的进口操作压力，收集透过液体，每收集2 L透过液体记录时间，以秒计。以时间的倒数作为膜通量的比较数值，单位为1/S[5，7]。

表1 主要仪器

2.3.5 数据分析与处理

采用SPSS 11.0统计分析软件中的多重比较和EXCEL2003的单、双因素方差分析对数据进行处理和计算。

3 结果与分析

3.1 不同发酵pH值对乳清成分的影响

取50 kg乳清，分别在乳清的不同发酵时间段取样，调整乳清的pH值分别达到5.7、6.0、6.5，采用60 ℃、5 min处理后，使用200 目过滤布对乳清过滤，分别测定乳清中的蛋白质和脂肪含量。采用超滤膜（分子截流6 000 道尔顿），入口压力采用0.1 MPa，流速控制在720 L/h，测定膜通量。

从图1可以看出，随着pH值由6.5下降到5.7，乳清中脂肪含量从0.50%逐渐下降到0.26%，然后随着pH值的继续降低，脂肪含量稳定在0.30%左右。乳清的灰分含量变化趋势与脂肪含量相反，随着pH值由6.5降低到5.3，乳清中灰分含量在0.48%和0.52%之间波动，当pH值逐渐达到4.6后，灰分含量逐渐升高到0.64%。表2方差分析结果显示，乳清中脂肪和灰分含量受pH值的影响是有统计意义的，且差异显著。表3、4结果显示，pH值在5.7～4.6之间时乳清中的脂肪含量差异不显著，而在pH值为6.5、6.1时差异显著，此时脂肪含量稳定在0.30%左右。乳清的灰分含量在pH值为5.3～6.5之间差异不显著，而当pH值为4.6、4.9时，灰分含量逐渐升高到0.64%，且与pH值为5.3到6.5之间的乳清灰分含量相比是有显著性差异的。

图1 pH值对乳清中脂肪和蛋白质含量的影响

表2 pH值对乳清中脂肪和灰分含量影响的方差分析（ANOVA）

表3 pH值对乳清中灰分影响的多重比较（Multiple Comparisons）

续表3 pH值对乳清中灰分影响的多重比较（Multiple Comparisons）

表4 pH值对乳清中脂肪含量影响的多重比较（Multiple Comparisons）

续表4 pH值对乳清中脂肪含量影响的多重比较（Multiple Comparisons）

3.2 不同热处理温度对乳清中蛋白质和脂肪含量的影响

分别取50 kg乳清，采用50、55、60、72 ℃杀菌处理乳清5 min后，使用200 目过滤布对乳清过滤，检测可溶蛋白成分和脂肪含量的变化。采用超滤膜（分子截流6 000道尔顿），压力采用0.1 MPa，测定膜通量。

图2表明，随着热处理温度的升高，乳清蛋白含量逐渐从0.68%降低到0.64%，总体减少的绝对数量不大。由方差分析（表5）和多重比较分析（表6）结果可见，50℃和55 ℃热处理后乳清蛋白的含量为0.68%左右，没有显著差异，而60、72 ℃杀菌处理乳清5 min后，乳清中的蛋白质含量下降，且变化趋势有显著差异。对于脂肪来讲，50、55、60℃处理脂肪变化不大，而当热处理温度达到72 ℃时，发现部分脂肪丢失，这与蛋白质的减少是相关的，随着热处理强度的增加，乳清蛋白发生变性，部分脂肪同变性的乳清蛋白质混合吸附在一起沉淀，导致脂肪的缺失。

图2 热处理温度对乳清中蛋白质和脂肪含量的影响

表5 热处理温度对乳清中蛋白和脂肪含量影响的方差分析（ANOVA）

表6 热处理温度对乳清中脂肪和蛋白含量影响的多重比较（Multiple Comparisons）

3.3 不同操作参数对乳清过滤截流效果研究

3.3.1 不同温度对乳清通透性的影响

50 kg乳清经粗过滤后，选择15、20、25、30 ℃作为试验温度，记录乳清超滤过程中收集1 L乳清透过液所需要的时间，采用时间的倒数作为膜通量，单位是1/ s。试验结果表明（图3），随着环境温度的升高，乳清的膜通量逐渐升高。温度从12 ℃升高到30 ℃，膜通量升高了1.55 倍（图4）。方差分析结果表明，在不同温度条件下膜过滤的膜通量平均值有显著差

异（表7）。不同操作温度对超滤膜膜通量的影响多重比较表明，在15、20、25、30 ℃之间变化时，膜通量的变化是有效的（表8）。

图3 不同温度对超滤膜膜通量的影响

图4 不同温度对超滤膜膜通量的影响

3.3.2 不同pH值对膜通量的影响

试验结果表明（图5），随着乳清pH值的升高，乳清的膜通量变化比较接近，且没有显著差异。方差分析结果表明，在不同pH值条件下膜过滤的膜通量平均值没有显著差异（表9）。由图6可见，随着超滤的进行，不同pH值条件之间膜通量没有太大的变化，乳清溶液透过液的分离速度随着溶液中蛋白质浓度的增加而缓慢下降。

3.3.3 浓缩倍数对膜通量的影响

选择1、2、3 倍预先浓缩的乳清来测量膜通量的变化情况

（图7），浓缩倍数的提高通常会造成乳蛋白在膜表面的沉积，引起膜通量的快速降低，不利于乳清的处理。当乳清浓度升高2 倍的时候，膜通量下降了40%；当乳清浓度升高达到3 倍时，膜通量下降了68%。超滤过程中，随着截留液中固形物含量的增加，膜通量不断减小，同时由于浓缩效应截留液中蛋白质浓度也在不断增加。截留液中的蛋白质浓度从0.87%增加到2.1%～3.0%，膜通量降低了3.12倍。在超滤过程中蛋白质溶液的黏度会显著增加，Sayed[8]等测试超滤大豆粕水提物时，固形物含量从4%增加到16%时，溶液的黏度增加了将近29 倍。所以随着溶液黏度的增加，传质系数和物料在膜面的流速都会减小，物料流速减小又会导致湍流程度的减小，增加传质阻力，最终使得膜污染加剧，膜通量急剧降低。

表8 不同操作温度对超滤膜膜通量影响的多重比较（Multiple Comparisons）

图5 不同pH 值对膜通量平均值的影响

图6 不同pH 值对膜通量的影响

表9 不同pH 值对膜通量平均值影响的方差分析ANOVA

3.3.4 进料压力对膜通量的影响

图7 乳清起始浓度对膜通量的影响

图8 乳清进料压力对膜通量的影响

随着进料的压力升高（图8），膜通量逐渐升高。当乳清进料表压力分别为0.05、0.10、0.15 MPa时，膜通量分别升高11.0%、

20.0%、30.4%。考虑到过高的操作压力会降低膜面液体的流速，膜面的蛋白质层堆积的比较致密，流速慢导致膜的污染速度增快，不利于系统的长时间稳定工作，这从随后的清洗时间延长也得以证明，所以一般处理压力不会超过0.10 MPa。

4 结论

4.1 不同发酵工艺和时间导致乳清有不同的pH值，不同的pH值对乳清中成分变化是有影响的。随着pH值降低到5.7，脂肪含量从0.50%逐渐下降到0.26%，随着pH值的继续降低，脂肪含量稳定在0.30%左右。随着pH值降低到5.3，灰分含量在0.48%和0.52%之间波动，当pH值逐渐达到4.9后，灰分逐渐升高到0.64%。

4.2 采用50、55、60、72 ℃杀菌处理乳清5 min，随着热处理温度的升高，乳清蛋白的含量逐渐从0.68%降低到0.64%，总体减少的绝对数量不大。对脂肪来讲，在50、55、60 ℃处理时脂肪含量变化不大，而当热处理温度达到72 ℃时，发现部分脂肪丢失，这与蛋白质的减少是相关的。随着热处理强度的增加，乳清蛋白质发生变性，部分脂肪同变性的乳清蛋白混合在一起沉淀，导致脂肪的缺失。

4.3 随着环境温度的升高，乳清的膜通量逐渐升高。从12 ℃升高到30 ℃，膜通量升高了1.55 倍。

4.4 随着乳清的pH值的升高，乳清的膜通量变化比较接近，没有显著的差异。乳清浓缩倍数的提高，通常会造成乳蛋白在膜表面的沉积，引起膜通量的快速降低，不利于乳清的处理。当乳清浓度升高2 倍时，膜通量下降了40%；当乳清浓度升高达到3 倍时，膜通量下降了67%。超滤过程中，随着截留液中固形物含量的增加，膜通量不断减小，截留液中蛋白质浓度也在不断增加，蛋白质浓度从0.87%增加到2.1%～3.0 %，膜通量减小了3.12 倍。

4.5 随着进料压力升高，膜通量逐渐升高。以表压为0作为标准，当乳清进料表压力分别为0.05、0.10、0.15 MPa时，膜通量分别升高11.0%、20.0%、30.4%。

[1] Barba D，Beolchini F，Veglio F. Minimizing water use in diafiltration of whey protein concentrates. Separation Science & Technology，2007，35（7）：951-965.

[2] 陈婷，余群力，赵莉，等. 超滤膜分离技术回收乳清蛋白工艺研究. 食品工业科技，2010（4）： 226-228.

[3] 张列兵，吕加平. 新版乳制品配方. 北京：中国轻工业出版社，2003.

[4] 中华人民共和国国家标准乳与乳制品卫生标准的分析方法. 中国乳业，2005（5）：12-17.

[5] 陈曾燮. 生物化学实验. 安徽：中国科学技术大学出版社，1994.

[6] 汪家政，范明. 蛋白质技术手册. 北京：科学出版社，2000

[7] 王湛. 膜分离技术基础. 北京：化学工业出版社，2000.

[8] Sayed R S K，Harris J L，Sherkat F. Fouling and cleaning of membranes in the ultrafiltration of the aqueous extract of soy flour. Journal of Membrane Science，1996，114（1/ 2）：93-104.

海关助力3 805 头澳大利亚奶牛顺利抵达山东淄博

【本刊辑】日前，山东得益乳业股份有限公司迎来了一批“特殊海外客人”——来自澳大利亚的3 805 头纯种荷斯坦青年母牛顺利抵达淄博。

因活畜长时间滞留港口存在滋生疾病和食料供应不足等风险，淄博海关接到企业申请后，当天即为这批“特殊客人”办理了减免税担保手续。企业凭担保证明到港口顺利办结通关手续，保证了活畜通关安全、通畅。此次是近年来淄博海关办理的首笔种用奶牛减免税审批业务，也是淄博市近年来单次引进种牛数量最多的一次。

Effects of Different Treatment Parameters on the Physical and Chemical Properties of Whey and the Flux of Ultrafiltration Membrane

TENG Guo-xin1，YU Rui-hong2
（1 Beijing City University；2 Xinjiang Rui Yuan Dairy Co.，Ltd.）

Whey is a by-product of cheese production，the production of 1 ton of cheese can produce 9 tons whey. Whey contains precious whey protein，the direct discharge of sewage treatment，not only caused waste of resources，increased costs，but also caused the environmental pollution seriously. The processing and utilization of whey has become an urgent problem to be solved as soon as possible. The effect of milk processing parameters on the physicochemical properties of whey has not been studied in detail. Through this research，we explored the appropriate methods of whey treatment to meet the domestic demand for whey protein. The research found that different fermentation process and time led to different pH values of whey，the changes in the composition of whey were affected by different pH values. With the increase of heat treatment temperature，the content of whey protein decreased from 0.68% to 0.64%. Heat treatment had little effect on fat. With the increase of whey pH，the membrane flux change of whey was close to no significant difference. In the ultrafiltration processing，with entrapped liquid solid content increased，membrane flux decreases，the interception liquid protein concentration also increased，protein concentration from 0.87% increased to 2.10%～3.00%，membrane flux decreased 3.12 times.

whey treatment；processing parameters；membrane flux

2015年北京市民办教育发展促进项目---北京城市学院市级校外基地与实验教学示范中心建设项目】

滕国新（1972-），男，博士，教授，从事婴儿配方奶粉、酸奶、奶酪的研发工作。

2016-06-24）