對牛奶進行分離以生産酪蛋白和乳清蛋白的方法及裝置
對牛奶進行分離以生産酪蛋白和乳清蛋白的方法，其特征在于：牛奶經過預過濾，然後升溫，進行稀奶油的離心分離，所得脫脂乳進行巴氏殺菌，冷卻後進入陶瓷膜微濾系統，根據産品品種選擇不同的濃縮因子，截留液富集的是酪蛋白，透過液富集的是乳清蛋白。
2.按照權利要求1所述對牛奶進行分離以生産酪蛋白和乳清蛋白的方法，其特征在 于：新鮮牛奶經過預過濾，然後升溫到55°C，進行稀奶油的離心分離，所得脫脂乳升溫至 720C，保溫15s後進行巴氏殺菌，再冷卻至50°C，進入陶瓷膜微濾系統，其流速為5m/s，跨膜 壓力為0. 5Bar ；根據不同産品品種對鈣含量的要求選擇不同的濃縮因子，截留液富集的是 酪蛋白，透過液富集的是乳清蛋白。
3.用權利要求1或2所述方法對牛奶進行分離以生産酪蛋白和乳清蛋白的裝置，包括 換熱設備、離心脫脂設備和巴氏殺菌設備，其特征在于：平衡罐與換熱設備一、離心脫脂設 備、巴氏殺菌設備、換熱設備二、陶瓷膜微濾系統依次相連接，陶瓷膜微濾系統的兩個出口 分别連接截留液儲罐、透過液儲罐，截留液儲罐還經過回流管與陶瓷膜微濾系統相連接。
4.按照權利要求3所述對牛奶進行分離以生産酪蛋白和乳清蛋白的裝置，其特征在 于：所述換熱設備即換熱器，所述離心脫脂設備為奶油分離機。
5.按照權利要求3所述對牛奶進行分離以生産酪蛋白和乳清蛋白的裝置，其特征在 于：所述的陶瓷膜微濾系統為Isoflux均一跨膜壓力微濾系統，無機陶瓷膜是以氧化鋁、氧 化钛或氧化锆高溫結燒而成的具有多孔結構的陶瓷過濾材料，多孔支撐層（6)、中間過濾層 (5)、膜層（4、3、2、1)的孔徑依次逐漸減小，呈不對稱分布，各層的厚度從多孔支撐層（6)、 中間過濾層（5 )到膜層（4、3、2、1)呈梯度逐漸減小。
6.按照權利要求3-5中任一項所述對牛奶進行分離以生産酪蛋白和乳清蛋白的裝置， 其特征在于：所述陶瓷膜微濾系統中的微濾膜孔徑為0. 14 μ m。
7.按照權利要求3-5中任一項所述對牛奶進行分離以生産酪蛋白和乳清蛋白的裝置， 其特征在于：所述的陶瓷膜微濾系統為連續式的料液處理系統，包括Isoflux陶瓷膜（B)、 供料泵（11)、循環泵（12)、排氣閥（V0)、流量傳感器（F)、壓力傳感器（P)、溫度傳感器（T)、 控制閥（VI〜VII)和換熱器（A)。
8.按照權利要求7所述對牛奶進行分離以生産酪蛋白和乳清蛋白的裝置，其特征在 于：所述的陶瓷膜微濾系統還包括料液罐（9)和濾液罐（10)。
說明
對牛奶進行分離以生産酪蛋白和乳清蛋白的方法及裝置
技術領域
[0001] 本發明涉及一種對牛奶進行分離以生産酪蛋白和乳清蛋白的方法及裝置，特别是 用陶瓷膜微濾系統對牛奶進行分離以生産酪蛋白和乳清蛋白的方法及裝置，屬于乳品加工 生産的技術領域。
背景技術
[0002] 幹酪是液态乳經過凝乳、排乳清、發酵成熟而制成的一種營養價值很高的發酵乳 制品，它除了含有豐富的蛋白質、脂肪外，還富含維生素和微量元素等。幹酪中的多數蛋白 質已經被降解為多肽和氨基酸，其吸收率高達96%以上，部分的脂肪已經被降解為不飽和 脂肪酸，有助于降低人體的血清膽固醇，有利于預防心血管疾病。幹酪中的乳糖多數已經分 解為葡萄糖和半乳糖，尤其适合于有乳糖不耐症的消費群體，而且幹酪的含鈣量較高，有助 于兒童的生長發育，預防老年人的骨質疏松。
[0003] 全世界有1/3以上的原料乳用于幹酪的生産加工。幹酪作為一種高營養價值的食 品，其方便食用及品種多樣等特點使其在全球的銷售額占到乳品總銷售額的30%。随着人們 生活水平的提高及對幹酪營養價值認識的加深，我國的幹酪消費處于快速的增長時期。
[0004] 我國幹酪産品加工的大環境已經基本成熟，但是生産加工中也遇到了一些問題。 首先，幹酪加工過程利用的主要是酪蛋白，絕大多數的乳清蛋白以副産物的形式随着乳清 排出，其加工過程中的熱處理過程不可避免的會引起乳清蛋白的變性、聚合甚至沉澱，其中 的某些抑制劑成分也會帶來負面的影響，例如，脂肪球膜對乳清蛋白的起泡性起着抑制作 用，隻有純淨的、天然的乳清蛋白才能獲得良好的功能性質。如何處理乳清并利用乳清生産 出高附加值的乳清産品一直是乳品企業争相研究的内容。其次，原料乳的成分含量随着泌 乳期、氣候、飼喂繁殖等多種因素的變化而有一定的差異，若原料乳的蛋白質含量較低，凝 乳較差，損失于乳清中的酪蛋白較高，便會緻使幹酪的産量降低。因此幹酪生産廠商往往需 要對原料乳進行一定的标準化過程，目前的标準化方法主要有：脫脂或者加入稀奶油增加 脂肪含量；加入脫脂乳粉增加蛋白質含量。但是額外加入脫脂乳粉存在着這樣的弊端：脫 脂乳粉中乳糖的含量占總固形物的50%以上，因此，除非将該乳粉稀釋後加入原料乳中，否 則幹酪中乳糖含量必定有所增加。而如果稀釋後再加入則違背了增加産量的初衷。這樣， 幹酪生産者不得不花較大代價進行加工過程的調整，通過增加幹酪的酸度來減少乳糖的含 量，進而避免幹酪成熟過程中色澤的變深或者加熱過程中的褐變，其操作工序複雜，成本 尚ο
[0005] 因此，采用一定的技術手段來提高原料乳的質量，進而增加幹酪産品的均一性，是 當前迫切需要解決的問題。
[0006] 中國專利文獻CN2741372公開了一種長保質期鮮奶的加工生産設備，CN1679403 公開了一種長保質期鮮奶及其生産設備，應用梯度膜過濾的方式對原料乳中的體細胞、細 菌等進行截留，提高了原料乳的質量，延長了産品的貨架期。這兩項發明在一定程度上解 決了原料乳質量的改善問題，但依然沒有實現在幹酪加工之前分離酪蛋白與乳清蛋白的目的。
發明内容
[0007] 本發明的目的在于：提供一種對牛奶進行分離以生産酪蛋白和乳清蛋白的方法及 裝置。本發明針對現有幹酪用乳标準化技術的不足，利用陶瓷膜微濾系統作為連續式料液 處理系統處理原料乳，實現了在幹酪加工之前分離酪蛋白與乳清蛋白的目的，所得到的酪 蛋白可直接用于幹酪的生産加工或者幹酪用乳的标準化過程，解決了幹酪用乳标準化的問 題；所得到的純淨、天然的“理想”乳清，營養成分及營養價值沒有發生改變，簡化了進一步 将其加工成乳清産品的過程。
[0008] 本發明所采用的技術方案：對牛奶進行分離以生産酪蛋白和乳清蛋白的方法為： 牛奶經過預過濾，然後升溫，進行稀奶油的離心分離，所得脫脂乳進行巴氏殺菌，冷卻後進 入陶瓷膜微濾系統，根據産品品種選擇不同的濃縮因子，截留液富集的是酪蛋白，透過液富 集的是乳清蛋白。
[0009] 更具體的方法為：新鮮牛奶經過預過濾，然後升溫到55 °C，進行稀奶油的離心分 離，所得脫脂乳升溫至72°C，保溫15s後進行巴氏殺菌，再冷卻至50°C，進入陶瓷膜微濾系 統，其流速為5m/s，跨膜壓力為0. 5Bar ；根據不同産品品種對鈣含量的要求選擇不同的濃 縮因子，截留液富集的是酪蛋白，與離心分離所得稀奶油混合後用于生産幹酪，或者用于幹 酪用乳的标準化過程；透過液富集的是乳清蛋白，用于加工生産乳清蛋白制品。
[0010] 用前述方法對牛奶進行分離以生産酪蛋白和乳清蛋白的裝置，包括換熱設備、離 心脫脂設備和巴氏殺菌設備，平衡罐與換熱設備一、離心脫脂設備、巴氏殺菌設備、換熱設 備二、陶瓷膜微濾系統依次相連接，陶瓷膜微濾系統的兩個出口分别連接截留液儲罐、透過 液儲罐，截留液儲罐還經過回流管與陶瓷膜微濾系統相連接。
[0011] 上述換熱設備即換熱器，所述離心脫脂設備為奶油分離機。
[0012] 前述的陶瓷膜微濾系統為Isoflux均一跨膜壓力微濾系統，無機陶瓷膜是以氧化 鋁、氧化钛或氧化锆等高溫結燒而成的具有多孔結構的精密的陶瓷過濾材料，多孔支撐層、 中間過濾層及膜層(含微濾層、粗糙超濾層、精細超濾層和納濾層)呈非對稱分布。多孔支撐 層的作用是增加膜的機械強度；中間過濾層的孔徑比支撐層小，作用是防止膜層制備過程 中的顆粒向多孔支撐層滲透；膜層對物料實現有效的截留。整個陶瓷膜的孔徑分布由多孔 支撐層至膜層逐漸減小，形成不對稱的分布。其加工特點是在壓力的推動下料液平行于膜 面流動，把膜面上的滞留物帶走，從而使得膜污染保持一個較低的水平。陶瓷膜各層的厚度 也是從多孔支撐層、中間過濾層到膜層呈梯度逐漸減小，使得透過液的通量沿着膜長的方 向保持均一的跨膜壓力，過濾效果更佳。
[0013] 前述陶瓷膜微濾系統中的微濾膜孔徑為0. 14ym (膜材為法國海得科膜分離有限 公司的0. 14 μ m陶瓷膜，單隻23通道，0. 35m2膜面積，1178mm膜長)。
[0014] 前述的陶瓷膜微濾系統為連續式的料液處理系統(參見附圖4)，包括Isoflux陶 瓷膜、供料泵、循環泵、排氣閥、流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、控制閥和換熱器；還 可包括料液罐和濾液罐。
[0015] 與現有技術相比，本發明分離方法操作簡單，可連續生産，清洗方便，得到的酪蛋 白可與稀奶油複配直接用于幹酪的加工生産，為幹酪用乳的标準化過程提供了新的途徑；同時得到的“理想”乳清無菌、無脂、成分均一，容易控制，簡化了将其加工成高附加值乳清 産品的過程。
附圖說明
[0016] 圖1是結合裝置設備表示的本發明工藝流程框圖； 圖2是本發明所述陶瓷膜的内部剖視結構圖；
圖3是本發明所述陶瓷膜的端面結構及局部放大圖； 圖4是本發明陶瓷膜微濾系統的結構簡圖； 圖5是脫脂乳、透過液、截留液的實物對照圖； 圖6是透過液的凝膠電泳圖片。
[0017] 圖中各标号所表示的含義為：1 ：納濾層；2 ：精細超濾層；3 ：粗糙超濾層；4 ：微濾 層；5 ：中間過濾層；6 ：多孔支撐層；7 ：料液通道；8 ：支撐體；9 ：料液罐；10 ：濾液罐；11 ：供 料泵；12 ：循環泵；VO ：排氣閥；Vl〜Vll ：控制閥；A ：換熱器；B ：陶瓷膜；F ：流量傳感器； P ：壓力傳感器；τ ：溫度傳感器；R ：脫脂乳；Yl ：透過液；Y2 ：截留液；I : β -乳球蛋白；II ： α-乳白蛋白；III、IV :MF透過液；V ：脫脂乳；VI:酪蛋白。
具體實施方式
[0018] 以下實施方案用于說明本發明，但是不用來限制本發明的範圍。
[0019] 新鮮牛奶(細菌總數< 200，000個/ml)在平衡罐内經過預過濾，然後經換熱器一 升溫到55°C，用奶油分離機進行稀奶油的離心分離，所得脫脂乳升溫至72°C，保溫15s後進 行巴氏殺菌，再經換熱器二冷卻至50°C，進入孔徑為0. 14 μ m的陶瓷膜微濾系統，流速5m/ s，跨膜壓力為0. 5Bar。根據不同幹酪品種對鈣含量的具體要求，選擇不同的濃縮因子，截留 液富集了酪蛋白，透過液富集了乳清蛋白。
[0020] 陶瓷膜微濾系統的工作過程為：奶油分離機分離得到的脫脂乳經過巴氏殺菌後換 熱，進入陶瓷膜微濾系統的料液罐9，經過供料泵11、循環泵12打入膜過濾系統，換熱器A 保溫下在膜過濾系統中循環，過濾膜殼外通冷卻水以維持料液的過濾溫度，截留液再次進 入膜過濾系統進一步循環，透過液收集到濾液罐10中。通過排氣閥VO來排除過濾系統内 的空氣，通過控制閥門（VI〜VII)來控制過濾系統内的跨膜壓力。生産結束後由料液罐9 的出口閥放出截留液。
[0021] 在上述條件下，選擇不同濃縮因子時，通量及截留液成分的變化如表1及表2所 示。與原料脫脂乳相比，截留液（retentate，以下用“R”表示）的成分（總固形物、蛋白質、 酪蛋白/總蛋白、鈣）均呈現出按照濃縮因子增加的趨勢。
[0022] 0. 14 μ m陶瓷膜微濾過程使得水分、乳糖、α-乳白蛋白、β-乳球蛋白、可溶性礦 物質及非蛋白氮等成分成為透過液。這樣，透過液的成分均一，比較容易控制，無脂、無菌、 乳清蛋白以天然的形式存在，可以用來加工生産一系列的乳清蛋白産品。與此同時，截留液 富集了酪蛋白，可與稀奶油混合用于幹酪的生産，節省了生産空間。
[0023] 表1不同濃縮因子下通量的比較（50°C)
濃縮因子（CF) 2 4 6 8 9通量（L/h ·ιη2) 93. 2 士 5.5 71. 5 士 4. 0 30. 1± 6. 3 14. 3+ 3. 1 13. 2 士 3. 1
表2不同濃縮因子下截留液成分的變化
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2XR，4XR，6XR，8XR，9XR分别表示濃縮因子為2，4，6，8，9時的截留液。
[0024] 原料脫脂乳、透過液及截留液的實物如圖5所示。透過液因乳清蛋白中的核黃素 而呈現出透明清澈的黃綠色狀态。
[0025] 圖6的凝膠電泳圖片證實了 “理想乳清”的蛋白質成分。微濾透過液含有α -乳 白蛋白及乳球蛋白，酪蛋白幾乎全部被截留液所截留，其成分較脫脂乳要簡單的多。透 過液的成分均一，比較容易控制，無脂、無菌、乳清蛋白以天然的形式存在，可以直接加工生 産乳清濃縮蛋白或者進一步處理生産乳清濃縮蛋白産品，簡化了處理步驟，增加了産品的 附加值。
[0026] 本發明的應用效果如下：
陶瓷膜微濾系統采用錯流過濾的方式，在壓力的推動下料液平行于膜面流動，把膜面 上的滞留物帶走，從而使得膜污染保持一個較低的水平；同時沿着膜長的方向，膜層的厚度 呈現梯度變化，從而使得透過液的通量沿着膜長的方向保持均一的跨膜壓力，過濾效果更佳。
[0027] 陶瓷膜質地堅硬，具有良好的耐熱性（500°C)、耐酸堿性（ρΗ 1〜14)、清洗方便、 易消毒處理、機械性能好及使用壽命長等優點。其連續運行時間可以達到IOh以上。清洗 過程采用CIP清洗(原位清洗）方式，水通量恢複效果佳。
[0028] 通過嚴格的實驗證明，該陶瓷膜微濾系統能夠将酪蛋白和乳清蛋白有效地分離， 截留液對酪蛋白進行了濃縮，與稀奶油複配可直接用于幹酪的生産加工過程，簡化了幹酪 用乳的标準化過程，節約了生産空間，而透過液為“理想”乳清，成分均一，無菌無脂，利于進 一步加工成高附加值的乳清産品。