對(duì)牛奶進(jìn)行分離以生產(chǎn)酪蛋白和乳清蛋白的方法及裝置
對(duì)牛奶進(jìn)行分離以生產(chǎn)酪蛋白和乳清蛋白的方法，其特征在于：牛奶經(jīng)過(guò)預(yù)過(guò)濾，然后升溫，進(jìn)行稀奶油的離心分離，所得脫脂乳進(jìn)行巴氏殺菌，冷卻后進(jìn)入陶瓷膜微濾系統(tǒng)，根據(jù)產(chǎn)品品種選擇不同的濃縮因子，截留液富集的是酪蛋白，透過(guò)液富集的是乳清蛋白。
2.按照權(quán)利要求1所述對(duì)牛奶進(jìn)行分離以生產(chǎn)酪蛋白和乳清蛋白的方法，其特征在 于：新鮮牛奶經(jīng)過(guò)預(yù)過(guò)濾，然后升溫到55°C，進(jìn)行稀奶油的離心分離，所得脫脂乳升溫至 720C，保溫15s后進(jìn)行巴氏殺菌，再冷卻至50°C，進(jìn)入陶瓷膜微濾系統(tǒng)，其流速為5m/s，跨膜 壓力為0. 5Bar ；根據(jù)不同產(chǎn)品品種對(duì)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(guò)液富集的是乳清蛋白。
3.用權(quán)利要求1或2所述方法對(duì)牛奶進(jìn)行分離以生產(chǎn)酪蛋白和乳清蛋白的裝置，包括 換熱設(shè)備、離心脫脂設(shè)備和巴氏殺菌設(shè)備，其特征在于：平衡罐與換熱設(shè)備一、離心脫脂設(shè) 備、巴氏殺菌設(shè)備、換熱設(shè)備二、陶瓷膜微濾系統(tǒng)依次相連接，陶瓷膜微濾系統(tǒng)的兩個(gè)出口 分別連接截留液儲(chǔ)罐、透過(guò)液儲(chǔ)罐，截留液儲(chǔ)罐還經(jīng)過(guò)回流管與陶瓷膜微濾系統(tǒng)相連接。
4.按照權(quán)利要求3所述對(duì)牛奶進(jìn)行分離以生產(chǎn)酪蛋白和乳清蛋白的裝置，其特征在 于：所述換熱設(shè)備即換熱器，所述離心脫脂設(shè)備為奶油分離機(jī)。
5.按照權(quán)利要求3所述對(duì)牛奶進(jìn)行分離以生產(chǎn)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(tǒng)為Isoflux均一跨膜壓力微濾系統(tǒng)，無(wú)機(jī)陶瓷膜是以氧化鋁、氧 化鈦或氧化鋯高溫結(jié)燒而成的具有多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷過(guò)濾材料，多孔支撐層（6)、中間過(guò)濾層 (5)、膜層（4、3、2、1)的孔徑依次逐漸減小，呈不對(duì)稱分布，各層的厚度從多孔支撐層（6)、 中間過(guò)濾層（5 )到膜層（4、3、2、1)呈梯度逐漸減小。
6.按照權(quán)利要求3-5中任一項(xiàng)所述對(duì)牛奶進(jìn)行分離以生產(chǎn)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(tǒng)中的微濾膜孔徑為0. 14 μ m。
7.按照權(quán)利要求3-5中任一項(xiàng)所述對(duì)牛奶進(jìn)行分離以生產(chǎn)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(tǒng)為連續(xù)式的料液處理系統(tǒng)，包括Isoflux陶瓷膜（B)、 供料泵（11)、循環(huán)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(quán)利要求7所述對(duì)牛奶進(jìn)行分離以生產(chǎn)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(tǒng)還包括料液罐（9)和濾液罐（10)。
說(shuō)明
對(duì)牛奶進(jìn)行分離以生產(chǎn)酪蛋白和乳清蛋白的方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種對(duì)牛奶進(jìn)行分離以生產(chǎn)酪蛋白和乳清蛋白的方法及裝置，特別是 用陶瓷膜微濾系統(tǒng)對(duì)牛奶進(jìn)行分離以生產(chǎn)酪蛋白和乳清蛋白的方法及裝置，屬于乳品加工 生產(chǎn)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)
[0002] 干酪是液態(tài)乳經(jīng)過(guò)凝乳、排乳清、發(fā)酵成熟而制成的一種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高的發(fā)酵乳 制品，它除了含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪外，還富含維生素和微量元素等。干酪中的多數(shù)蛋白 質(zhì)已經(jīng)被降解為多肽和氨基酸，其吸收率高達(dá)96%以上，部分的脂肪已經(jīng)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(yù)防心血管疾病。干酪中的乳糖多數(shù)已經(jīng)分 解為葡萄糖和半乳糖，尤其適合于有乳糖不耐癥的消費(fèi)群體，而且干酪的含鈣量較高，有助 于兒童的生長(zhǎng)發(fā)育，預(yù)防老年人的骨質(zhì)疏松。
[0003] 全世界有1/3以上的原料乳用于干酪的生產(chǎn)加工。干酪作為一種高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的食 品，其方便食用及品種多樣等特點(diǎn)使其在全球的銷售額占到乳品總銷售額的30%。隨著人們 生活水平的提高及對(duì)干酪營(yíng)養(yǎng)價(jià)值認(rèn)識(shí)的加深，我國(guó)的干酪消費(fèi)處于快速的增長(zhǎng)時(shí)期。
[0004] 我國(guó)干酪產(chǎn)品加工的大環(huán)境已經(jīng)基本成熟，但是生產(chǎn)加工中也遇到了一些問(wèn)題。 首先，干酪加工過(guò)程利用的主要是酪蛋白，絕大多數(shù)的乳清蛋白以副產(chǎn)物的形式隨著乳清 排出，其加工過(guò)程中的熱處理過(guò)程不可避免的會(huì)引起乳清蛋白的變性、聚合甚至沉淀，其中 的某些抑制劑成分也會(huì)帶來(lái)負(fù)面的影響，例如，脂肪球膜對(duì)乳清蛋白的起泡性起著抑制作 用，只有純凈的、天然的乳清蛋白才能獲得良好的功能性質(zhì)。如何處理乳清并利用乳清生產(chǎn) 出高附加值的乳清產(chǎn)品一直是乳品企業(yè)爭(zhēng)相研究的內(nèi)容。其次，原料乳的成分含量隨著泌 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(zhì)含量較低，凝 乳較差，損失于乳清中的酪蛋白較高，便會(huì)致使干酪的產(chǎn)量降低。因此干酪生產(chǎn)廠商往往需 要對(duì)原料乳進(jìn)行一定的標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程，目前的標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)含量。但是額外加入脫脂乳粉存在著這樣的弊端：脫 脂乳粉中乳糖的含量占總固形物的50%以上，因此，除非將該乳粉稀釋后加入原料乳中，否 則干酪中乳糖含量必定有所增加。而如果稀釋后再加入則違背了增加產(chǎn)量的初衷。這樣， 干酪生產(chǎn)者不得不花較大代價(jià)進(jìn)行加工過(guò)程的調(diào)整，通過(guò)增加干酪的酸度來(lái)減少乳糖的含 量，進(jìn)而避免干酪成熟過(guò)程中色澤的變深或者加熱過(guò)程中的褐變，其操作工序復(fù)雜，成本 尚ο
[0005] 因此，采用一定的技術(shù)手段來(lái)提高原料乳的質(zhì)量，進(jìn)而增加干酪產(chǎn)品的均一性，是 當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。
[0006] 中國(guó)專利文獻(xiàn)CN2741372公開(kāi)了一種長(zhǎng)保質(zhì)期鮮奶的加工生產(chǎn)設(shè)備，CN1679403 公開(kāi)了一種長(zhǎng)保質(zhì)期鮮奶及其生產(chǎn)設(shè)備，應(yīng)用梯度膜過(guò)濾的方式對(duì)原料乳中的體細(xì)胞、細(xì) 菌等進(jìn)行截留，提高了原料乳的質(zhì)量，延長(zhǎng)了產(chǎn)品的貨架期。這兩項(xiàng)發(fā)明在一定程度上解 決了原料乳質(zhì)量的改善問(wèn)題，但依然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)在干酪加工之前分離酪蛋白與乳清蛋白的目的。
發(fā)明內(nèi)容
[0007] 本發(fā)明的目的在于：提供一種對(duì)牛奶進(jìn)行分離以生產(chǎn)酪蛋白和乳清蛋白的方法及 裝置。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有干酪用乳標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的不足，利用陶瓷膜微濾系統(tǒng)作為連續(xù)式料液 處理系統(tǒng)處理原料乳，實(shí)現(xiàn)了在干酪加工之前分離酪蛋白與乳清蛋白的目的，所得到的酪 蛋白可直接用于干酪的生產(chǎn)加工或者干酪用乳的標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程，解決了干酪用乳標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn) 題；所得到的純凈、天然的“理想”乳清，營(yíng)養(yǎng)成分及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值沒(méi)有發(fā)生改變，簡(jiǎn)化了進(jìn)一步 將其加工成乳清產(chǎn)品的過(guò)程。
[0008] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案：對(duì)牛奶進(jìn)行分離以生產(chǎn)酪蛋白和乳清蛋白的方法為： 牛奶經(jīng)過(guò)預(yù)過(guò)濾，然后升溫，進(jìn)行稀奶油的離心分離，所得脫脂乳進(jìn)行巴氏殺菌，冷卻后進(jìn) 入陶瓷膜微濾系統(tǒng)，根據(jù)產(chǎn)品品種選擇不同的濃縮因子，截留液富集的是酪蛋白，透過(guò)液富 集的是乳清蛋白。
[0009] 更具體的方法為：新鮮牛奶經(jīng)過(guò)預(yù)過(guò)濾，然后升溫到55 °C，進(jìn)行稀奶油的離心分 離，所得脫脂乳升溫至72°C，保溫15s后進(jìn)行巴氏殺菌，再冷卻至50°C，進(jìn)入陶瓷膜微濾系 統(tǒng)，其流速為5m/s，跨膜壓力為0. 5Bar ；根據(jù)不同產(chǎn)品品種對(duì)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后用于生產(chǎn)干酪，或者用于干 酪用乳的標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程；透過(guò)液富集的是乳清蛋白，用于加工生產(chǎn)乳清蛋白制品。
[0010] 用前述方法對(duì)牛奶進(jìn)行分離以生產(chǎn)酪蛋白和乳清蛋白的裝置，包括換熱設(shè)備、離 心脫脂設(shè)備和巴氏殺菌設(shè)備，平衡罐與換熱設(shè)備一、離心脫脂設(shè)備、巴氏殺菌設(shè)備、換熱設(shè) 備二、陶瓷膜微濾系統(tǒng)依次相連接，陶瓷膜微濾系統(tǒng)的兩個(gè)出口分別連接截留液儲(chǔ)罐、透過(guò) 液儲(chǔ)罐，截留液儲(chǔ)罐還經(jīng)過(guò)回流管與陶瓷膜微濾系統(tǒng)相連接。
[0011] 上述換熱設(shè)備即換熱器，所述離心脫脂設(shè)備為奶油分離機(jī)。
[0012] 前述的陶瓷膜微濾系統(tǒng)為Isoflux均一跨膜壓力微濾系統(tǒng)，無(wú)機(jī)陶瓷膜是以氧化 鋁、氧化鈦或氧化鋯等高溫結(jié)燒而成的具有多孔結(jié)構(gòu)的精密的陶瓷過(guò)濾材料，多孔支撐層、 中間過(guò)濾層及膜層(含微濾層、粗糙超濾層、精細(xì)超濾層和納濾層)呈非對(duì)稱分布。多孔支撐 層的作用是增加膜的機(jī)械強(qiáng)度；中間過(guò)濾層的孔徑比支撐層小，作用是防止膜層制備過(guò)程 中的顆粒向多孔支撐層滲透；膜層對(duì)物料實(shí)現(xiàn)有效的截留。整個(gè)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(duì)稱的分布。其加工特點(diǎn)是在壓力的推動(dòng)下料液平行于膜 面流動(dòng)，把膜面上的滯留物帶走，從而使得膜污染保持一個(gè)較低的水平。陶瓷膜各層的厚度 也是從多孔支撐層、中間過(guò)濾層到膜層呈梯度逐漸減小，使得透過(guò)液的通量沿著膜長(zhǎng)的方 向保持均一的跨膜壓力，過(guò)濾效果更佳。
[0013] 前述陶瓷膜微濾系統(tǒng)中的微濾膜孔徑為0. 14ym (膜材為法國(guó)海得科膜分離有限 公司的0. 14 μ m陶瓷膜，單只23通道，0. 35m2膜面積，1178mm膜長(zhǎng))。
[0014] 前述的陶瓷膜微濾系統(tǒng)為連續(xù)式的料液處理系統(tǒng)(參見(jiàn)附圖4)，包括Isoflux陶 瓷膜、供料泵、循環(huán)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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明分離方法操作簡(jiǎn)單，可連續(xù)生產(chǎn)，清洗方便，得到的酪蛋 白可與稀奶油復(fù)配直接用于干酪的加工生產(chǎn)，為干酪用乳的標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程提供了新的途徑；同時(shí)得到的“理想”乳清無(wú)菌、無(wú)脂、成分均一，容易控制，簡(jiǎn)化了將其加工成高附加值乳清 產(chǎn)品的過(guò)程。
附圖說(shuō)明
[0016] 圖1是結(jié)合裝置設(shè)備表示的本發(fā)明工藝流程框圖； 圖2是本發(fā)明所述陶瓷膜的內(nèi)部剖視結(jié)構(gòu)圖；
圖3是本發(fā)明所述陶瓷膜的端面結(jié)構(gòu)及局部放大圖； 圖4是本發(fā)明陶瓷膜微濾系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖； 圖5是脫脂乳、透過(guò)液、截留液的實(shí)物對(duì)照?qǐng)D； 圖6是透過(guò)液的凝膠電泳圖片。
[0017] 圖中各標(biāo)號(hào)所表示的含義為：1 ：納濾層；2 ：精細(xì)超濾層；3 ：粗糙超濾層；4 ：微濾 層；5 ：中間過(guò)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(huán)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(guò)液；Y2 ：截留液；I : β -乳球蛋白；II ： α-乳白蛋白；III、IV :MF透過(guò)液；V ：脫脂乳；VI:酪蛋白。
具體實(shí)施方式
[0018] 以下實(shí)施方案用于說(shuō)明本發(fā)明，但是不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0019] 新鮮牛奶(細(xì)菌總數(shù)< 200，000個(gè)/ml)在平衡罐內(nèi)經(jīng)過(guò)預(yù)過(guò)濾，然后經(jīng)換熱器一 升溫到55°C，用奶油分離機(jī)進(jìn)行稀奶油的離心分離，所得脫脂乳升溫至72°C，保溫15s后進(jìn) 行巴氏殺菌，再經(jīng)換熱器二冷卻至50°C，進(jìn)入孔徑為0. 14 μ m的陶瓷膜微濾系統(tǒng)，流速5m/ s，跨膜壓力為0. 5Bar。根據(jù)不同干酪品種對(duì)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(guò)液富集了乳清蛋白。
[0020] 陶瓷膜微濾系統(tǒng)的工作過(guò)程為：奶油分離機(jī)分離得到的脫脂乳經(jīng)過(guò)巴氏殺菌后換 熱，進(jìn)入陶瓷膜微濾系統(tǒng)的料液罐9，經(jīng)過(guò)供料泵11、循環(huán)泵12打入膜過(guò)濾系統(tǒng)，換熱器A 保溫下在膜過(guò)濾系統(tǒng)中循環(huán)，過(guò)濾膜殼外通冷卻水以維持料液的過(guò)濾溫度，截留液再次進(jìn) 入膜過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)一步循環(huán)，透過(guò)液收集到濾液罐10中。通過(guò)排氣閥VO來(lái)排除過(guò)濾系統(tǒng)內(nèi) 的空氣，通過(guò)控制閥門（VI?VII)來(lái)控制過(guò)濾系統(tǒng)內(nèi)的跨膜壓力。生產(chǎn)結(jié)束后由料液罐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(shí)，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(zhì)、 酪蛋白/總蛋白、鈣）均呈現(xiàn)出按照濃縮因子增加的趨勢(shì)。
[0022] 0. 14 μ m陶瓷膜微濾過(guò)程使得水分、乳糖、α-乳白蛋白、β-乳球蛋白、可溶性礦 物質(zhì)及非蛋白氮等成分成為透過(guò)液。這樣，透過(guò)液的成分均一，比較容易控制，無(wú)脂、無(wú)菌、 乳清蛋白以天然的形式存在，可以用來(lái)加工生產(chǎn)一系列的乳清蛋白產(chǎn)品。與此同時(shí)，截留液 富集了酪蛋白，可與稀奶油混合用于干酪的生產(chǎn)，節(jié)省了生產(chǎn)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分別表示濃縮因子為2，4，6，8，9時(shí)的截留液。
[0024] 原料脫脂乳、透過(guò)液及截留液的實(shí)物如圖5所示。透過(guò)液因乳清蛋白中的核黃素 而呈現(xiàn)出透明清澈的黃綠色狀態(tài)。
[0025] 圖6的凝膠電泳圖片證實(shí)了 “理想乳清”的蛋白質(zhì)成分。微濾透過(guò)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(jiǎn)單的多。透 過(guò)液的成分均一，比較容易控制，無(wú)脂、無(wú)菌、乳清蛋白以天然的形式存在，可以直接加工生 產(chǎn)乳清濃縮蛋白或者進(jìn)一步處理生產(chǎn)乳清濃縮蛋白產(chǎn)品，簡(jiǎn)化了處理步驟，增加了產(chǎn)品的 附加值。
[0026] 本發(fā)明的應(yīng)用效果如下：
陶瓷膜微濾系統(tǒng)采用錯(cuò)流過(guò)濾的方式，在壓力的推動(dòng)下料液平行于膜面流動(dòng)，把膜面 上的滯留物帶走，從而使得膜污染保持一個(gè)較低的水平；同時(shí)沿著膜長(zhǎng)的方向，膜層的厚度 呈現(xiàn)梯度變化，從而使得透過(guò)液的通量沿著膜長(zhǎng)的方向保持均一的跨膜壓力，過(guò)濾效果更佳。
[0027] 陶瓷膜質(zhì)地堅(jiān)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(jī)械性能好及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。其連續(xù)運(yùn)行時(shí)間可以達(dá)到IOh以上。清洗 過(guò)程采用CIP清洗(原位清洗）方式，水通量恢復(fù)效果佳。
[0028] 通過(guò)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)證明，該陶瓷膜微濾系統(tǒng)能夠?qū)⒗业鞍缀腿榍宓鞍子行У胤蛛x， 截留液對(duì)酪蛋白進(jìn)行了濃縮，與稀奶油復(fù)配可直接用于干酪的生產(chǎn)加工過(guò)程，簡(jiǎn)化了干酪 用乳的標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程，節(jié)約了生產(chǎn)空間，而透過(guò)液為“理想”乳清，成分均一，無(wú)菌無(wú)脂，利于進(jìn) 一步加工成高附加值的乳清產(chǎn)品。