王穎瑞 閆雷雷 楊 濤

陜西科菱恩生物科技有限公司，陜西咸陽，710048

本文綜述了有關(guān)牛奶成分和污垢形成機制等內(nèi)容。

1 污染牛奶的因素

1.1 牛奶組成

牛奶的主要成分為水（87.42%）和總固形物（12.58%）兩大類。如表1所示：總固形物包括非脂肪類固體（乳糖、鹽、礦物質(zhì)和含氮物質(zhì)）和脂質(zhì)成分（乳脂、磷脂和血清）；含氮物質(zhì)又分為酪蛋白、乳清蛋白和非蛋白氮（0.10%的蛋白胨、0.44%的乳清蛋白和0.095%的活性蛋白）。

表1 牛奶的成分組成[2]

1.2 污垢形成的因素

化學(xué)因素：Christian等[3]討論了污垢中蛋白質(zhì)反應(yīng)的化學(xué)性質(zhì)。與普通牛奶相比，全脂牛奶中鈣含量較高，其降低牛奶的熱穩(wěn)定性，更容易在換熱器上結(jié)垢。隨著蛋白質(zhì)濃度的升高，污垢的生成量增大。乳脂對污垢幾乎沒有影響。

物理因素：原奶在加熱處理前5℃環(huán)境下存放時間小于24 h時不易沉積。然而在光解酶的影響下，加工成乳制品時超過24 h存放的奶更容易結(jié)垢。

1.3 污垢形成示意圖

污垢形成的示意圖如圖1所示。當(dāng)牛奶加熱到65℃以上時，由于β-半乳糖球蛋白（N-蛋白）的不穩(wěn)定性，使其成為形成污垢的前體物質(zhì)，分為兩種變化機制[4]：①N-蛋白的變性過程主要為結(jié)構(gòu)變化，其S－H鍵變得非?；钴S生成β-Lg變性蛋白（D-蛋白）。②不可逆聚合反應(yīng)將不溶性顆粒聚合為聚集物，稱為β-Lg聚集形式（A-蛋白）。

圖1 熱交換器表面蛋白質(zhì)和污垢沉積模型

2 牛奶污垢沉積的因素

2.1 乳清蛋白

在乳制品加熱過程中，乳清蛋白的濃度會影響熱交換器表面的污垢沉積。熱凝型乳清蛋白是乳制品污垢中的主要成分。沉積污垢主要為聚集的熱凝型乳清蛋白分子。因此，Xin等[5]使用了熱誘導(dǎo)乳清蛋白凝膠作為清洗操作的原料模型來研究去除牛奶污垢的復(fù)雜性。

熱誘導(dǎo)乳清蛋白凝膠在加熱后產(chǎn)生的污垢中蛋白質(zhì)含量占60%，這些乳清蛋白聚集體聚集形成較難清洗的污垢。由于蛋白聚集率的增加和凝固時間的縮短，高濃度的熱誘導(dǎo)乳清蛋白凝膠往往形成得更快。增加蛋白質(zhì)濃度會增加乳清濃縮蛋白凝膠的硬度和聚集大小，從而加速凝膠化過程，使得清洗變得困難。此外，Puyol等[6]發(fā)現(xiàn)，高濃度的乳清分離蛋白凝膠往往在較低溫度下形成。高濃度蛋白質(zhì)會極大地影響乳清蛋白凝膠的形成機制。

Fickak等[7]研究了乳清蛋白濃度對中試規(guī)模熱交換器的污垢沉積和清洗效率的關(guān)系。他們評估了基于不銹鋼的表面特性對不同牛奶成分（磷酸鈣和乳清蛋白）、復(fù)雜牛奶系統(tǒng)和牛奶相關(guān)細(xì)菌污染的影響。在所有情況下，不同的表面材料都會存在污垢殘留。因此，加工蛋白濃度高的產(chǎn)品時，需加強對原位清洗（CIP）系統(tǒng)的調(diào)整和換熱器清洗結(jié)果的檢查。

4)對海風(fēng)鋒天氣過程的模擬,反映了海風(fēng)鋒與內(nèi)陸對流系統(tǒng)相遇的時空精細(xì)化過程,其中CAPE的水平分布顯示了強對流系統(tǒng)與海風(fēng)鋒的相對移動,CAPE的垂直分布顯示海風(fēng)鋒激發(fā)的強對流能量增強與釋放,在兩小時內(nèi)不穩(wěn)定能量就迅速耗散。

2.2 換熱器工作條件

熱交換器中的運行參數(shù)會影響污垢的變化，如空氣含量、流速和溫度。據(jù)報道，只有在傳熱表面形成氣泡，這些氣泡成為沉積物形成的核心時，污垢才會沉積更多。預(yù)熱后的牛奶溶解空氣的能力降低，降低壓力，減少污垢的沉積。

2.2.1 清洗流速

流速增大會延緩污垢沉積。盡管CIP管道中的沖洗水流為湍流，在湍流形成前，層流子層和過渡區(qū)的存在也會影響污垢的殘留。層流子層的長度和隨后的過渡區(qū)均隨著流速的增加而減小，從而阻礙了傳熱表面的污垢沉積。需要注意的是，由于流體剪切應(yīng)力增強，較高的流速也會促進沉積物再夾帶。

與管式換熱器相比，板式換熱器中更高速度的湍流和不同的流動特性會產(chǎn)生更短的誘導(dǎo)期。在相鄰板塊之間的接觸點附近存在的低速區(qū)是造成更短誘導(dǎo)期的原因。此外，邊界層的攪動脈動流減少了污垢沉積。其他研究人員[8]注意到，當(dāng)只有傳熱表面附近的壁區(qū)足夠熱，足以引起蛋白質(zhì)變性和聚集反應(yīng)時，由于壁區(qū)附近的流體（牛奶）暴露時間較短，混合速率較高，所以可以看到沉積污垢減少[9]。

2.2.2 牛奶的溫度與溫差

在換熱器中，牛奶溫度可能是控制污垢形成的最重要因素。隨著溫度的升高，沉積污垢增加。溫度超過110℃時，污垢的性質(zhì)從A型變?yōu)锽型（表2）。A型：蛋白質(zhì)污垢產(chǎn)生在75℃和110℃之間。沉積物呈白色、柔軟、海綿狀（奶膜），其成分為50%～70%的蛋白質(zhì)（主要是β-Lg乳清蛋白）、30%～50%的礦物質(zhì)和4%～8%的脂肪。B型：礦物污垢發(fā)生在110℃以上的溫度。沉積物呈灰色（乳石），結(jié)構(gòu)堅硬、致密、顆粒狀，其成分為70%～80%的礦物質(zhì)（主要是磷酸鈣）、15%～20%的蛋白質(zhì)和4%～8%的脂肪[8]。

表2 在不同加工溫度范圍內(nèi)形成的奶沉積類型

溫度和溫差對污垢形成均有重要作用。Chen等[10]研究了表面溫度和整體溫度對全脂牛奶、脫脂牛奶和乳清蛋白污垢的影響，觀察到形成污垢時，表面溫度是最重要的因素。在換熱器表面溫度低于68℃，整體牛奶溫度高達(dá)84℃時，沒有污垢產(chǎn)生。

2.3 微生物的存在

換熱器中微生物沉積或生物膜形成的生物污垢引起了嚴(yán)重的質(zhì)量問題。Flint等[11]調(diào)查了乳品廠生物污染的影響，表明生物污垢的發(fā)生有兩種不同的機制：微生物在傳熱表面的積聚和微生物附著在傳熱表面形成的沉積層上。微生物對表面的黏附力因污垢層的形成而增強，從而導(dǎo)致生物污染嚴(yán)重。沉積污垢成為微生物的營養(yǎng)物質(zhì)，確保其滋生[12]。工業(yè)上大多數(shù)加工工藝都是在低于100℃的溫度下進行的。例如，巴氏殺菌是在連續(xù)流動系統(tǒng)中以72℃加熱牛奶15 s來實現(xiàn)消毒殺菌的。在這個溫度下，只有致病細(xì)菌和一些營養(yǎng)細(xì)胞被殺死。然而，孢子能抵抗較高的溫度，并且在超過這個溫度后仍保持活性。

值得注意的是，在沖洗設(shè)備時，流動的水將微生物帶入管道，因此下游的細(xì)菌濃度可能會增加。這可能會導(dǎo)致細(xì)菌在未被感染的區(qū)域生長，引起生物污染。

3 減少污垢沉積的方法

3.1 減少污染源

（1）預(yù)熱牛奶。蛋白質(zhì)在轉(zhuǎn)移到加熱段前變性和聚集，可以減少熱換器中的污垢。

（2）復(fù)原乳產(chǎn)生的污垢偏少。①在奶粉生產(chǎn)過程中，普通牛奶在加熱后有3.6%～5%的變性β-Lg有助于沉積物的形成，而乳粉生產(chǎn)時β-Lg變性約占25%，復(fù)原乳在加工時將減少β-Lg變性的污染。②復(fù)原乳中的鈣含量減少了9%，鈣離子濃度的降低會減少污垢形成。③Xin等[13]分析了污垢沉積物，發(fā)現(xiàn)與鮮牛奶加工過程中形成的沉積物相比，復(fù)原乳沉積物的脂肪含量較高（大于60%），這種差異可歸因于脂肪球膜在奶粉生產(chǎn)過程中經(jīng)過真空狀態(tài)下被破壞。

與此相反，Srichantra等[14]發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)熱處理（預(yù)熱溫度或預(yù)熱時間）的增加，復(fù)原乳使用UHT處理時污染率增加。

3.2 優(yōu)化的CIP工藝

乳品廠因清洗頻率高、衛(wèi)生要求高、能量損耗大、產(chǎn)品損失多、停機時間長等因素，導(dǎo)致清洗成本變高。在乳品行業(yè)多達(dá)42%的可用生產(chǎn)時間被清洗占用。優(yōu)化的CIP工藝可以降低清洗成本，減少清洗過程對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。目前，由于對清洗過程中涉及的基本化學(xué)和物理機制缺乏了解，大多數(shù)CIP工藝都是根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計的。Xin等[13]重申了關(guān)于開發(fā)優(yōu)化清洗過程的數(shù)學(xué)模型的調(diào)查。

3.3 優(yōu)異的清洗劑

乳品廠清洗時使用的化學(xué)產(chǎn)品分為三類：堿性清洗劑、酸性清洗劑、消毒劑等。其中，堿性清洗劑（pH＞10）主要成分為氫氧化鈉。液堿能把不溶性的乳品油脂乳化、分散，加熱后促進大分子的蛋白質(zhì)水解成較小分子的氨基酸，增加蛋白質(zhì)在水中的溶解性。堿性環(huán)境下還可以將難溶的無機垢轉(zhuǎn)化為易溶于酸的無機鹽。此外，復(fù)合堿性清洗劑添加食品級的表面活性劑、螯合劑及其他助劑增強清洗能力。

酸性清洗劑主要去除無機污垢，包括乳石（磷酸鈣）、水銹、鐵銹等。復(fù)合酸性清洗劑添加螯合劑可提高其螯合金屬離子的能力；添加緩蝕劑可保護生產(chǎn)設(shè)備減緩酸的腐蝕速率以延長設(shè)備的使用壽命。

4 總結(jié)

乳品工業(yè)中流體的熱處理是一個能源問題。換熱器結(jié)垢會減少散熱、提高壓降，導(dǎo)致工作效率及產(chǎn)品品質(zhì)的降低，增加生產(chǎn)成本。牛奶的污垢是定性的，主要為乳清蛋白的變性、聚集及磷酸鈣沉積。目前需要加強牛奶污染定量信息的收集研究。其中，換熱器表面改性和改變結(jié)構(gòu)對降低污垢沉積的效果尤為顯著。對污垢的進一步研究將有助于找到減輕牛奶和食品加工行業(yè)污垢的危害。