蔣 超， 張 彧， 陳 歷 俊， 姜 鐵 民

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院， 遼寧 大連 116034;2.北京三元食品股份有限公司， 北京 100085 )

0 引 言

乳清是工業(yè)生產(chǎn)干酪和干酪素的副產(chǎn)物,按生產(chǎn)1 t干酪排放9 t乳清計,每年都有上億噸的乳清等待利用和處理[1]。乳清營養(yǎng)價值較高，含有豐富的蛋白質(zhì)、乳糖以及多種礦物質(zhì)和水溶性維生素等。其中乳清蛋白主要包括β-乳球蛋白、α-乳白蛋白、免疫球蛋白、牛血清白蛋白、乳鐵蛋白、乳過氧化物酶等[2]，由于它們具有降低血液膽固醇水平、增強機體免疫力、促進腸道有益菌生長[3-4]等生理功能，目前被廣泛應(yīng)用于運動飲料、營養(yǎng)食品等行業(yè)。

膜分離技術(shù)是近年發(fā)展起來的單相和多相分離的高新技術(shù)，具有分離純度高、操作簡單、條件溫和等特點，在工業(yè)廢水處理、分離生物大分子以及醫(yī)藥等領(lǐng)域中應(yīng)用較多[5]。近年來，隨著我國干酪產(chǎn)量的不斷增加，乳清資源也越來越豐富，但是干酪乳清存在混濁度較高，處理過程復(fù)雜等問題，所以常常以廢水形式排放，這不僅污染環(huán)境，而且造成巨大浪費。目前，膜技術(shù)作為分離乳清蛋白主要方法之一，在國外已被應(yīng)用，但是國內(nèi)關(guān)于此技術(shù)的相關(guān)文獻報道卻較少。本研究以熱鈣法預(yù)處理干酪乳清，采用超濾技術(shù)去除乳糖并回收乳清蛋白，為工業(yè)化生產(chǎn)乳清蛋白及干酪乳清的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料、試劑及儀器

干酪乳清，北京三元食品股份有限公司乳品四廠；BSA標品，美國Pierce公司；Folin Phenol，sigma公司。

板式超濾設(shè)備、超濾膜(截留分子質(zhì)量10 ku)，美國Millipore公司；LC-6M大容量冷凍離心機，上海市離心機械研究所；Cintra 20分光光度計，澳大利亞GBC公司。

1.2 干酪乳清預(yù)處理條件的確定

向干酪乳清中加入不同質(zhì)量分數(shù)氯化鈣(0、0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%、0.24%、0.28%、0.32%、0.36%)，攪拌后用2 mol/L NaOH調(diào)pH值(5.0、5.4、5.8、6.2、6.6、7.0、7.4、7.8、8.2、8.6、9.0)，在50 ℃保溫8 min，冷凍離心后取上清液[6]，通過對混濁度[7](500 nm吸光值)和280 nm蛋白吸收峰檢測確定最佳預(yù)處理條件。

1.3 超濾分離乳清蛋白

1.3.1 單因素試驗

在流速一定的條件下，以膜的透水通量及乳糖脫除率為指標，分別研究超濾壓力0.14 MPa(20 psi)、0.17 MPa(25 psi)、0.21 MPa(30 psi)、0.24 MPa (35 psi)，溫度(20、30、40、50 ℃)，料水體積比(未稀釋、4∶1、2∶1、1∶1)，乳清pH(3.0、4.5、6.0、7.5)對超濾影響。

1.3.2 正交試驗

在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，以膜的透水通量及乳糖脫除率為指標，按L9正交表排列進行正交試驗，優(yōu)化超濾工藝最佳條件。

1.4 指標測定方法

1.4.1 透水通量測定[8]

Jw=W/Aτ

式中，Jw為單位時間單位面積透過水的溶劑量；W為透過水量；A為膜的有效面積；τ為超濾過程所用時間。

1.4.2 乳糖脫除率測定

R=C2/C1

式中，C1為料液中目的溶質(zhì)的質(zhì)量濃度；C2為透過液中目的溶質(zhì)的質(zhì)量濃度。

1.4.3 乳糖含量測定

采用比色法測定原料及透過液中乳糖含量[9]。

1.4.4 蛋白含量的測定

采用Lowry法測定超濾原料及截流液蛋白含量[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)處理條件的選擇

干酪乳清中存在的酪蛋白殘余物及脂類殘基不僅干擾膜分離過程，同時損害乳清蛋白的生物性能[11]，采用熱鈣處理可以消除解決酪蛋白殘余物及脂類殘基的影響，降低乳清混濁度，提高膜的透水通量[12]。因此本試驗在超濾前首先確定了預(yù)處理乳清的條件。

2.1.1 不同CaCl2加入量對干酪乳清預(yù)處理的影響

向乳清中加入適量的CaCl2可以降低乳清混濁度，同時減少處理過程中蛋白的損失，圖1(a)為不同質(zhì)量分數(shù)CaCl2對干酪乳清的影響。結(jié)果表明，隨著CaCl2質(zhì)量分數(shù)增大，乳清的混濁度逐漸降低，當CaCl2質(zhì)量分數(shù)高于0.12%之后，混濁度變化較?。坏荂aCl2質(zhì)量分數(shù)為0.12%時，與0.28%的CaCl2加入量相比，后者所得蛋白含量明顯高于前者，所以確定最適CaCl2質(zhì)量分數(shù)為0.28%。

2.1.2 不同pH對干酪乳清預(yù)處理的影響

合適的pH值可以促進CaCl2與乳清中脂類形成絮狀沉淀，得到混濁度較低的乳清。圖1(b)為CaCl2質(zhì)量分數(shù)為0.28%時，不同pH值對干酪乳清混濁度的影響。結(jié)果顯示，隨著pH值不斷增加，乳清的混濁度也逐漸降低，當pH為6.6～7.0時，干酪乳清500 nm吸光值達到最低值，澄清度最高;之后吸光值隨pH增加緩慢增加，變化較小；而蛋白質(zhì)含量在pH高于6.2后，基本保持不變。因此確定預(yù)處理干酪乳清pH為6.6～7.0。

在上述試驗確定的條件下，對預(yù)處理后乳清進行檢測。結(jié)果表明，預(yù)處理后總蛋白質(zhì)量濃度由7.5減小到5.9 mg/mL，原因可能是在處理過程中殘余酪蛋白及脂蛋白減少所致，但經(jīng)過處理后的乳清，混濁度(500 nm吸光值)由2.74減小到0.07，可見乳清的澄清度大幅提高，可以極大改善超濾試驗的分離效率。

圖1 不同條件對干酪乳清預(yù)處理影響Fig.1 Effect of pretreatment on different conditions of cheese whey

2.2 超濾單因素試驗

2.2.1 壓力對超濾的影響

在超濾濃縮蛋白時，選擇合適的操作壓力，可以在去除小分子物質(zhì)同時避免膜表面“凝膠層”的形成，獲得最佳超濾效果，圖2為不同壓力對超濾膜透水通量及乳糖脫除率的影響，由此可以看出，透水通量隨著壓力增大逐漸增大，但是壓力達到0.17 MPa(25 psi)后，其通量變化幅度較小，原因是由于大分子溶質(zhì)在膜表面吸附聚集達到飽和濃度形成凝膠層，隨著壓力增加凝膠層厚度增加，導(dǎo)致透水通量不再增加；而乳糖脫除率也是隨壓力增大逐漸增大，在0.21 MPa(30 psi)時達到最大，隨后降低，因此結(jié)合以上兩因素確定正交試驗壓力范圍為0.17 MPa(25 psi)～ 0.24 MPa (35 psi)。

2.2.2 溫度對超濾的影響

在壓力一定條件下，分別在20、30、40、50 ℃下進行超濾試驗，如圖3所示，透水通量隨溫度升高而增加，在30 ℃達到最大，之后緩慢下降，這是由于隨溫度上升，乳清的黏度降低，流體在膜表面間隙中的流動速度加快，形成濃差極化的程度降低，溫度在到達30 ℃后透水通量有所下降，其原因是溫度升高膜表面的吸附能力增加，加重膜的污染；溫度對乳糖脫除率影響不大，在20～50 ℃乳糖脫除率在60%～70%，同時操作溫度的選擇還受到微生物污染、蛋白變性等因素的影響，因此，正交試驗操作溫度選擇室溫為宜。

2.2.3 料水比對超濾的影響

不同料水比對透水通量及乳糖脫除率影響如圖4所示。由圖4可知，隨料水比的不斷增加，透水通量變化不大，均在21 L/(h5m2)左右；乳糖脫除率隨料水比的增大先增加后下降，在料水體積比為1∶1時，乳糖脫除率遠低于其他稀釋度，故選擇正交試驗料水體積比為2∶1、4∶1、不加水稀釋。

圖2 壓力對超濾膜透水通量及乳糖脫除率影響Fig.2 Effect of pressure on the permeate flux and lactose permeation

圖3 溫度對超濾膜透水通量及乳糖脫除率影響Fig.3 Effect of temperature on the permeate flux and lactose permeation

圖4 料水比對超濾膜透水通量及乳糖脫除率影響Fig.4 Effect of ratio of materials to solution on the permeate flux and lactose permeation

2.2.4 pH值對超濾影響

圖5為不同pH值對超濾膜透水通量及乳糖脫除率影響。從圖5可以看出，透水通量隨pH升高緩慢增加，pH值高于4.5后透水通量逐漸降低，根據(jù)文獻報道，乳清中磷酸鈣沉淀隨pH值升高而生成[13]，因此試驗中隨pH值升高形成的磷酸鈣沉淀可能成為污染膜的主要因素，影響透水通量；乳糖脫除率隨pH升高也呈先升高后降低的趨

圖5 pH值對超濾膜透水通量及乳糖脫除率影響Fig.5 Effect of pH on the permeate flux and lactose permeation

2.3 超濾參數(shù)的優(yōu)化

2.3.1 正交試驗因素水平

根據(jù)單因素水平試驗結(jié)果，以壓力、pH、料水比為主要因素，以透水通量和乳糖脫除率為主要指標，設(shè)計三因素三水平L9(33)正交試驗，因素水平表見表1所示。

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

2.3.2 正交試驗結(jié)果及分析

表2是3種因素對透水通量和乳糖脫除率的影響結(jié)果，可以看出對超濾透水通量影響最大因素是料水體積比，其次為pH值，壓力影響最小，

表2 正交試驗結(jié)果及分析Tab.2 Results and analysis of orthogonal test

其最佳組合為A1B3C3，而對乳糖脫除率影響最大因素為壓力，各因素對乳糖脫除率影響主次順序為：壓力>料水比>pH值，其最佳組合為A2B2C3，因此綜合影響因素大小及最適條件，確定超濾最佳工藝條件為A2B3C3，即壓力0.21 MPa(30 psi)，pH 6，料水體積比2∶1。

2.3.3 驗證試驗

在最佳工藝條件下進行超濾試驗，結(jié)果顯示優(yōu)化后超濾膜透水通量為32.66 L/(h5m2)，乳糖脫除率為93.13%，蛋白截留率為94.65%。說明A2B3C3確為最佳超濾條件，與分析結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

(1)干酪乳清預(yù)處理的最佳工藝為：干酪乳清中CaCl2的質(zhì)量分數(shù)為0.28%，pH為6.6～7.0，在此條件下，可以去除大量脂類雜質(zhì)，降低乳清混濁度，減少后期超濾過程中膜的污染。

(2) 本試驗通過正交試驗，確定超濾最佳工藝條件為壓力0.21 MPa(30 psi)，pH 6.0，料水體積比2∶1，在此條件下透水通量為32.66 L/(h5m2)，乳糖脫除率為93.13%，蛋白截留率為94.65%。采用該法可以有效地脫除乳糖等小分子雜質(zhì)，并獲得較高的蛋白截留率，為工業(yè)化生產(chǎn)乳清蛋白及干酪乳清的合理利用提供理論依據(jù)。

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