膜分离技术在乳品工业中的实践探析

高杰 李梅 盛玉娟 崔国庆 白荣国 张永旺 赖鹏 李云江 内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司 011517

在20世纪60年代，膜分离技术已经广泛应用在各个领域之中，食品工业也不例外。在各类食品加工行业中，乳品加工、啤酒无菌过滤是最先使用膜分离技术的行业，之后该技术逐渐在果汁生产、酒类精制等加工环节中应用。膜分离技术的应用优势十分明显，包括高效、便捷、环保等等。目前，膜分离技术在乳品工业中的应用也十分广泛，可以提升乳制品的质量，促进传统工艺的改进和优化，带动乳制品行业的发展。

1 膜分离技术的特点

膜分离技术有很多特点，要发挥该技术的使用效果，就要掌握该技术的各项特点，具体包括以下几个方面：

第一，膜本身具有选择性，一部分物质可以透过，还有一部分物质会被阻挡。在使用的过程中，可以根据需求选择恰当的膜，进而达到分离、提纯、浓缩等加工目的。膜可以分离的颗粒最小可达到纳米级，分析系数最高可以达到三位数，所以其具有效果明显的特点；

第二，在膜分离技术应用的过程中，不会出现相位变化，相较于其它会出现相位变化的分离方式，该分离技术耗能量较小，所以其具有节能的特点；

第三，在该技术应用的过程中，要保障系统的密闭性，不需要进行加热处理，也不会出现化学变化，进而减少了热和氧对食品造成的影响，尽可能保留了食品的营养成分。所以，该技术可以在热敏感物质中应用，包括药品、果汁等产品的分级、浓缩、分离等处理，具体应用广泛[1]；

第四，膜分离技术既可以在有机物和无机物的处理中应用，还能对病毒、细菌、为例等进行分离，许多特殊溶液都可以采用该分离技术。例如，共沸物的分离等等；

第五，在膜分离的过程中，推动力只有压力，所以分离装置不需要安装运动部件，结构比较简单，具有操作便捷、维修简单的特点；

第六，膜分离技术可以进行冷杀菌，耗能和成本都比较低，同时具有较高的速度，不会对环境造成污染，可见其具有绿色环保的特点。

2 膜分离技术的原理和方法

2.1 技术原理

在膜分离技术应用过程中，根据磨具选择透过性的特点，如果两侧同时具备推动力，包括电位差、压力等，原料侧组分会透过膜，则被膜进行选择，最终实现提纯的目的。这个传递过程原理比较简单，但是环节相对复杂，通过多孔型膜的有孔模型、微孔扩散模型等等；通过非多孔膜的则为溶解-扩散模型等。根据膜过程的差异，需要使用不同的膜，推动力和传递机理上都存在差异。

膜分离的效能高低与膜的自身属性有直接关系，膜可以分成两种，一种是液膜，另一种是固体膜。固体膜可以进一步分为无机多孔膜、合成膜和多孔膜。无机多孔膜的构成材料为无机质多孔材料，将胶体和不溶性微颗粒在无机多孔膜上进行强制沉积，动力形成膜随之形成。

合成膜采用多种合成材料，包括聚乙烯、聚丙烯、醋酸纤维素等等。合成膜有很多种，包括离子交换膜、均质膜和多孔膜；多孔膜是比较常用的一种膜，包括非对称膜和复合膜两种[2]。前者膜体分为两部分，一部分是表皮层，其具有质地致密的特点，厚度在0.1-0.2μm之间，其与膜的选择性和渗透性有直接关系。另一部分是支撑层，具有多孔结构，需要较强的机械强度。可以对铸膜液组成和凝胶条件进行调节，从而达到控制膜结构的目的。

根据过程可以将膜分为液膜分离和合成膜分离两种类型。前者包括乳化液莫、固定液膜两个分离过程。后者包括微过滤、超过滤、反渗透等过程。

2.2 分离方法

膜分离方法具体包括以下解方面：第一，微滤。该过滤方式主要在细菌、微粒等物质的分离中应用，膜孔径需要控制在0.05-2.00μm之间，压力则应该控制在100KPa左右；第二，超滤。该方法的推动力为压力差，孔径控制在0.0015-0.02μm之间，压力不低于100KPa，不高于1000KPa，普遍在大分子分离或分级中应用；第三，纳滤。该过滤方法的推动力也是压力差，孔径控制在2nm左右，普遍在水溶液分离中使用，将水溶液中的小分子物质去除；第四，反渗透。这种方式依旧采用压力差作为推动力，孔径不超过0.002μm，需要的压力在0.1MPa以上，10.0MPa一下，普遍在低分子无机物、水溶液分离中应用；第五，渗析。推动力为浓度差，普遍应用在水溶液脱出之中，将无机盐和酸通过渗析的方式脱出；第六，电渗析。推动力为电位差，应用在溶液脱出或电集之中，主要针对电介质使用。

3 膜分离技术在乳品工业中的应用

3.1 微滤除菌

在乳品工业中，膜技术的应用十分广泛，且已经发展了一定的时间。国外率先采用这种技术，我国技术虽然起步较晚，但因为该技术工艺简单、能耗较低、绿色环保，所以发展较快，在乳品工业中发挥了十分重要的作用。其中，微滤除菌是比较常用的一种技术。膜过滤灭菌系统由多个环节组成，具体包括乳脂分离、浓缩相高温瞬时灭菌、脱脂乳微孔过滤等等。在实际加工的过程中，可以采用微滤技术，利用该技术可以将细菌和孢子去除，可以提升乳品品质。相较于加热杀菌，这种除菌方式效果更好。

该系统灭菌过程可以分为2部分，一部分是利用微孔过滤的方式将脱脂乳中的细菌和孢子截留，另一部分是将过滤界留下的浓缩相和最初分理处的乳脂进行高温瞬时灭菌。因为物料中所含的蛋白质较少，所以可以应用强化高温灭菌条件。脂肪球和乳中细菌的大小十分相近，所以脂肪球也会被截留。针对这种情况，应该先分离脂肪，再进行微滤，以此避免在过滤过程中出现的膜堵塞的情况，使蛋白质可以更加高效的被过滤掉，既可以保障浓缩比，也不会出现阻孔的情况，可以保障正常的流速[3]。

研究表明，微过滤除菌获得的乳品符合卫生指标，除了平均菌落总数比UHT乳稍高外，其他各项指标均相同。为了确保分离效率，要合理选择膜孔尺寸。要保障其具有较高的截留率和良好的通透率。实验表明，膜孔应该控制在0.6-0.7μm之间，各项操作条件也要进行严格的控制，尤其是温度和压力，应该分别控制在50℃和30-40KPa。

3.2 牛乳浓缩

利用膜技术可以实现食品组分的浓缩和提纯，可以将食品的风味物质保留下来，在脱脂乳浓缩方面，该技术的应用比较广泛。即采用反渗透的方式，可以将超过60%的水分去除掉，采用超滤的方式则可以获得80%以上蛋白质含量的脱脂浓乳。采用反渗透的方式，可以浓缩原料乳，将其固形物含量浓缩到25%，通过真空蒸发的方式，获得更高的固形物含量。研究表明，超滤和反渗透都可以在软干酪、夸克干酪的预浓缩中应用，对于提升产量有一定的帮助。

3.3 优化乳品

在乳品工业中，牛乳是最基本的原料。牛乳会受到季节、环境条件的影响，质量组成并不均衡统一。为了保障产品的质量稳定，在乳品加工的过程中，需要采用调整原料乳质量组成的工艺技术，使产品趋于标准化。可以利用膜技术选择性分离的特点，对浓缩比进行合理的控制，调整牛乳中的组分质量比。

在经过超滤浓缩之后，牛乳中的蛋白质和乳脂含量增加，乳糖和灰分并没有明显的变化。所以，超滤可以实现调整蛋白质、脂肪含量的目的。通过超滤的方式进行脱脂乳分离，首先将含有2-3倍蛋白浓缩物的截留液体和没有蛋白质的透过液分离开，使液态奶的蛋白含量产生差异。研究表明，标准化后的牛奶质量更高，不论是在黏度，还是在色泽方面，都比普通的牛奶品质要好。

4 结语：

综上所述，随着乳品工业的发展和进步，人们对乳制品的要求也在不断提升。为了满足人们对乳制品的需求，不仅要加大乳品产量，还要提升乳品质量。为此，可以在乳品工业生产的过程中采用膜分离的技术，该技术具有一定的应用优势，可以提升乳品品质，促进行业发展。