馬鎵莉，盧會(huì)霞，苗曉雪

（天津市跨介質(zhì)復(fù)合污染環(huán)境治理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350）

乳品工業(yè)是食品工業(yè)中污染最嚴(yán)重的行業(yè)之一，其中乳清是干酪生產(chǎn)的主要副產(chǎn)物，是一種淡黃色或綠色的不透明液體，其高有機(jī)負(fù)荷被認(rèn)為是乳制品廢水中的重要污染物來(lái)源。目前對(duì)于乳制品廢水的處理通常采用生化法，該方法雖能有效地降低廢水中的化學(xué)需氧量（COD）和生物需氧量（BOD），使污水達(dá)標(biāo)排放，但廢水中具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的蛋白、脂肪、糖等物質(zhì)卻得不到有效回收而造成了資源浪費(fèi)。國(guó)家《乳制品工業(yè)產(chǎn)業(yè)政策》也明確提出了對(duì)乳清綜合利用技術(shù)的支持。因此，將乳清中的蛋白進(jìn)行回收利用對(duì)于乳制品行業(yè)的節(jié)能減排以及可持續(xù)發(fā)展意義重大。

乳清蛋白富含必要氨基酸，易于消化吸收，是一種優(yōu)質(zhì)蛋白，素有“蛋白質(zhì)之王”之稱。乳清蛋白除了具有增稠、起泡等功能特性之外，乳清蛋白濃縮物或其中的單一蛋白還具有獨(dú)特的營(yíng)養(yǎng)和醫(yī)學(xué)價(jià)值而廣泛用于食品和營(yíng)養(yǎng)保健品行業(yè)。近年來(lái)，對(duì)于乳清蛋白的分離和純化方面的研究日益受到了企業(yè)和眾多研究者的關(guān)注（圖1）。

圖1 通過(guò)Web of Science檢索與“separation and isolation of whey protein”“membrane and whey protein”相關(guān)的發(fā)文數(shù)量

自20 世紀(jì)50 年代以來(lái)，許多技術(shù)被用于分離純化乳清蛋白。但鹽析、酸堿沉淀、化學(xué)沉淀、熱蒸發(fā)等早期技術(shù)大多只能用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，產(chǎn)量極低，且酸、熱等條件會(huì)造成蛋白質(zhì)變性，失去營(yíng)養(yǎng)和功能特性。因此目前分離乳清蛋白的主要方法是色譜法和膜分離法。其中離子交換色譜法與膜分離法相結(jié)合也可用于大規(guī)模分離乳清蛋白，例如Maciel 等采用微濾、超濾、色譜法相結(jié)合的方法分離甜乳清中的乳鐵蛋白。對(duì)乳清先微濾再超濾，能夠預(yù)純化乳鐵蛋白至1.1mg/L，最后通過(guò)陽(yáng)離子交換色譜最終得到乳鐵蛋白濃度為17.4mg/mL、純度為92.7%、回收率為87.0%。雖然色譜法具有高分離性能，分離出的蛋白純度高，但它循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)、成本太高，且存在樹(shù)脂再生、水和化學(xué)消耗等問(wèn)題。因此，膜技術(shù)因其簡(jiǎn)單、節(jié)能、收率高、無(wú)二次污染、易于工業(yè)放大以及不會(huì)改變蛋白的性狀和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，回收過(guò)程沒(méi)有相變的發(fā)生等優(yōu)點(diǎn)成為蛋白質(zhì)分離領(lǐng)域最有前景的分離方法。本文在對(duì)乳清及其中所含蛋白特性分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)近年來(lái)膜技術(shù)在乳清蛋白分離中的應(yīng)用研究，重點(diǎn)介紹電驅(qū)動(dòng)膜技術(shù)在乳清蛋白分離和資源化方面的應(yīng)用最新進(jìn)展。

1 乳清及乳清蛋白的特性和應(yīng)用

乳清是干酪生產(chǎn)中的副產(chǎn)物，隨著干酪產(chǎn)量的不斷增加，每生產(chǎn)1噸干酪會(huì)排放9噸乳清，世界乳清產(chǎn)量每年(1.8～1.9)億噸，年增長(zhǎng)率為1.0%～2.0%。但目前只有50%的乳清被處理用作動(dòng)物飼料和食物等，其中仍有40%～50%的乳清作為廢水排放。乳清的有機(jī)負(fù)荷非常高，BOD 為30～50g/L、COD為60～80g/L，因此在乳清廢水排放前必須進(jìn)行嚴(yán)格的處理，降低其中的有機(jī)物含量，確保達(dá)標(biāo)排放。傳統(tǒng)的乳清處理方法可以通過(guò)物理、化學(xué)、生物等多種方法處理，也有研究者采用膜技術(shù)處理乳清廢水，如Mansor等研發(fā)了一種新型復(fù)合膜，建立了一種經(jīng)濟(jì)有效的奶酪乳清廢水處理方法，該方法對(duì)乳清廢水中的COD、BOD、總懸浮物和濁度的去除率分別達(dá)到為99.8%、99.7%、99.8%和99.6%。但上述方法是將乳清作為廢水，處理的目的是為了達(dá)標(biāo)排放或水資源的回收利用，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)乳清中蛋白質(zhì)、乳糖等功能活性物質(zhì)的資源化回收利用。實(shí)際上乳清可通過(guò)不同途徑進(jìn)行資源化利用（圖2），即可以直接將乳清作為化肥或飼料處置；或者通過(guò)發(fā)酵工藝來(lái)獲得增值產(chǎn)品，如有機(jī)酸、酶、細(xì)菌素等；或者將乳清看作是一種蛋白質(zhì)來(lái)源，采用適當(dāng)?shù)姆蛛x和純化技術(shù)對(duì)其中的蛋白質(zhì)和乳糖等高價(jià)值的化合物進(jìn)行回收利用，與其他加工技術(shù)相結(jié)合生產(chǎn)出多種乳清產(chǎn)品，如乳清粉、還原糖乳清、脫鹽乳清、乳清蛋白濃縮物（WPC）、乳清蛋白分離物（WPI）、乳鐵蛋白和糖巨肽等。實(shí)現(xiàn)乳清的資源化利用具有重要的環(huán)境意義和經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 乳清的幾種利用途徑

乳清中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)占原料奶的55%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），其中固形物含量約6%～7%、粗蛋白0.6%～0.8%、粗脂肪0.3%，乳糖3%～5%。根據(jù)生產(chǎn)的奶酪類(lèi)型和使用酶的不同，乳清可以分為兩類(lèi)：甜乳清和酸性乳清。甜乳清是生產(chǎn)凝乳酶類(lèi)干酪過(guò)程中產(chǎn)生的，而酸性乳清是在礦物質(zhì)或乳酸凝結(jié)的制作過(guò)程產(chǎn)生。當(dāng)然，乳清的組成和特性很大程度上也取決于牛奶的來(lái)源、動(dòng)物的飼料、所用的加工方法、季節(jié)和哺乳期等。此外，不同的發(fā)酵工藝和時(shí)間將導(dǎo)致乳清的pH 及成分有所不同；不同熱處理溫度對(duì)乳清中蛋白質(zhì)和脂肪含量也有所影響。

乳清蛋白是多種功能性蛋白的混合物，主要成分是α-乳白蛋白、β-乳球蛋白、牛血清白蛋白、免疫球蛋白，次要成分是乳過(guò)氧化酶、乳鐵蛋白、乳脂肪球膜、蛋白胨、生長(zhǎng)因子和其他生物活性因子及酶。乳清蛋白中各類(lèi)蛋白的含量及特性見(jiàn)表1。其中α-乳白蛋白對(duì)熱最穩(wěn)定，是唯一能結(jié)合鈣的乳清蛋白成分，其結(jié)構(gòu)及氨基酸比例與人乳相似度極高，因此在嬰幼兒奶粉中有廣泛應(yīng)用。但β-乳球蛋白是致敏蛋白，降低β-乳球蛋白是提升牛乳產(chǎn)品母乳化的有效方法。乳鐵蛋白是一種可結(jié)合并運(yùn)輸鐵離子的蛋白質(zhì)，具有免疫調(diào)節(jié)功能，可參與阻斷過(guò)度的免疫反應(yīng)以及促進(jìn)嬰幼兒自身免疫系統(tǒng)的發(fā)育成熟，對(duì)預(yù)防新生兒感染有一定作用而被大量應(yīng)用在嬰幼兒配方奶粉中。免疫球蛋白是乳清蛋白質(zhì)中熱敏感性最強(qiáng)的一種蛋白質(zhì)，通常以單體或多聚體的形式存在。目前已實(shí)現(xiàn)了從乳清蛋白中分離乳鐵蛋白、免疫球蛋白、α-乳白蛋白和β-乳球蛋白等單個(gè)蛋白的分離。但是，分離的純度和規(guī)模仍然較低，尤其是分子量比較接近的α-乳白蛋白和β-乳球蛋白更難分離。我國(guó)的乳清蛋白開(kāi)發(fā)應(yīng)用尚處于起步階段，功能性明確、技術(shù)含量較高的乳清蛋白質(zhì)保健品目前在市場(chǎng)上還很少見(jiàn)。隨著工藝技術(shù)的進(jìn)一步成熟，今后乳清蛋白的應(yīng)用將會(huì)不斷擴(kuò)展到嬰幼兒食品、中老年保健食品、免疫功能食品、減肥食品和運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)食品以及醫(yī)療等領(lǐng)域。因此，開(kāi)發(fā)高效、易于工業(yè)放大、環(huán)境友好的乳清蛋白分離技術(shù)，獲得更多的乳清蛋白產(chǎn)品，對(duì)于健康中國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施意義重大。

表1 乳清蛋白的組成及特性[3,27-28]

2 壓力驅(qū)動(dòng)膜在乳清蛋白分離中的應(yīng)用

2.1 超濾過(guò)程在乳清蛋白分離中的應(yīng)用

膜技術(shù)相對(duì)于其他分離乳清蛋白的技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于成本效益高，運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)發(fā)生相變，占地面積小，且易于放大，因此，在乳清蛋白分離濃縮中的應(yīng)用日益廣泛。超濾技術(shù)能夠在最大程度上將乳清中的營(yíng)養(yǎng)成分資源化利用，是乳清蛋白分離回收中應(yīng)用最為普遍的膜技術(shù)。超濾膜允許礦物質(zhì)、水、乳糖和其他低分子量化合物通過(guò)，而將大分子蛋白質(zhì)截留，從而實(shí)現(xiàn)蛋白的分離和濃縮。陳婷等早期的研究證明使用超濾技術(shù)分離和濃縮乳清得到具有經(jīng)濟(jì)效益的乳清蛋白粉是可行的，按固形物衡算，每噸乳清可以回收5.13kg 乳清蛋白粉，乳清中蛋白的回收率高達(dá)82.74%。超濾最常用于制備WPC 和WPI 等產(chǎn)品。WPC 或WPI 為蛋白混合物，基本含有全部乳清蛋白。目前主要通過(guò)超濾和噴霧干燥進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，蛋白質(zhì)含量一般為35%～85%。

也有一些研究者嘗試從乳清中分離和制備出具有抗高血壓、抗氧化活性和抗肥胖潛力等獨(dú)特價(jià)值的單個(gè)功能活性蛋白，例如α-乳白蛋白（α-La）。該研究最早在Bottomley的專利中描述了用截留分子量（MWCO）為100kDa 的超濾膜來(lái)獲得富含α-La 的透過(guò)液，再用MWCO 為10kDa 的超濾膜來(lái)對(duì)透過(guò)液進(jìn)行高倍濃縮，得到的濃縮液中α-La 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是β-Lg 的3 倍。Muller則用連續(xù)濃縮和連續(xù)滲濾的組合工藝得到了α-La 質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的WPC。孫顏君等采用微濾和超濾結(jié)合的方法制備得到WPC80，先用微濾降低乳清中的酪蛋白和脂肪，后通過(guò)超濾得到高α-La 濃度的WPC，所制得的WPC80 中α-La 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占總蛋白的64.37%。該研究發(fā)現(xiàn)要提取單獨(dú)的α-La 主要的難點(diǎn)在于將α-La與分子量相近的β-Lg分離。

為進(jìn)一步研究α-La 和β-Lg 的分離選擇性，Cheang等采用α-La和β-Lg的二元混合物模型溶液，在pH 為5.5、總離子強(qiáng)度為50mmol/L 的磷酸鹽緩沖溶液中，以2～4m/s 的過(guò)濾速度通過(guò)MWCO為30kDa的復(fù)合再生纖維素膜，得到超濾選擇性大于55。這是由于低pH和低離子強(qiáng)度下，基本不荷電的α-La透過(guò)率最高且β-Lg二聚體分子由膜孔徑篩分作用可以很好地截留。緊接著，Cheang等進(jìn)一步從WPI中分離α-La和β-Lg，得到的分離選擇性為21，這比之前的55 要小得多。這是由于混合蛋白質(zhì)溶液中蛋白質(zhì)之間的不穩(wěn)定造成了聚集。這說(shuō)明從真實(shí)的乳清溶液中要分離單一的蛋白質(zhì)，超濾的選擇性仍有待提高。

為了提高蛋白的回收率和純度，提高生產(chǎn)效率，將超濾與滲濾技術(shù)結(jié)合來(lái)回收乳清蛋白具有重要意義。滲濾可以克服高濃度料液透過(guò)率低的缺點(diǎn)，不斷加水稀釋有效降低了產(chǎn)品中乳糖和脂肪的含量。最初Muller 等研究了三種不同的工藝模式，即連續(xù)濃縮、間歇濃縮、連續(xù)濃縮-連續(xù)滲濾組合工藝。研究表明，連續(xù)濃縮-連續(xù)滲濾的組合工藝可以提高滲濾液中α-La 的純度和產(chǎn)量，純度50%、收率在80%以上。Almecija 等使用MWCO為300kDa 的管狀陶瓷膜進(jìn)行連續(xù)滲濾，探究了pH對(duì)分離乳清蛋白的影響，發(fā)現(xiàn)在pH為4～5時(shí)，α-La和β-Lg可以全部截留。在pH為3或9的條件下，乳清中牛血清白蛋白（BSA）和乳鐵蛋白（LF）純度提高了1.5倍，同樣在pH為9的條件下，免疫球蛋白G（IgG）純度提高1.6 倍。Baldasso等通過(guò)不連續(xù)滲濾來(lái)濃縮純化乳清蛋白，所得濃縮蛋白的純度大于70%，還發(fā)現(xiàn)少量多次添加滲濾水量時(shí)滲濾的效果更好。Cheang等研究了通過(guò)切相流過(guò)濾系統(tǒng)的滲濾過(guò)程分離α-La和β-Lg，最終β-Lg收率為90%，α-La的收率為70%。

雖然滲濾模式改善了超濾的分離性能，但是它加入大量去離子水稀釋來(lái)去除雜質(zhì)，很難在獲得高純度的同時(shí)達(dá)到高收率，即單級(jí)系統(tǒng)通常很難同時(shí)獲得高的產(chǎn)率和純度。Porter則首次提出多級(jí)（級(jí)聯(lián)）超濾的概念，認(rèn)為通過(guò)多個(gè)膜系統(tǒng)的優(yōu)化連接可以改善膜分離性能。范麗娟等則采用兩級(jí)超濾從牛初乳乳清中分離提取IgG，第二級(jí)超濾過(guò)程使第一級(jí)濃縮液中IgG純度得到進(jìn)一步提高，最終濃縮液中的IgG回收率為87.6%，IgG在總蛋白中的含量高達(dá)71%。Patil等使用三種不同的級(jí)聯(lián)構(gòu)型分離乳清蛋白，其中逆流級(jí)聯(lián)系統(tǒng)無(wú)法同時(shí)得到高收率和高純度，而調(diào)整后的級(jí)聯(lián)構(gòu)型和Lightfoot提出的理想級(jí)聯(lián)構(gòu)型都在回收率和純度方面有更高的性能，純度和回收率可同時(shí)達(dá)到80%。

總之，超濾技術(shù)是乳品行業(yè)中常見(jiàn)的操作單元，能夠高效地從乳清中分離濃縮得到乳清蛋白。另外，采用滲濾以及級(jí)聯(lián)超濾的方法可以進(jìn)一步提高蛋白的收率和純度，甚至可以獲得一定純度的單個(gè)功能活性蛋白。盡管超濾在乳清蛋白分離和純化中的應(yīng)用日益受到關(guān)注，但是目前超濾技術(shù)在蛋白分離中的應(yīng)用也具有一定的局限性，主要體現(xiàn)在對(duì)某些目標(biāo)分離蛋白的低選擇性，難以分離分子量大小接近的蛋白質(zhì)，以及濃差極化、膜污染問(wèn)題導(dǎo)致通量下降等方面。

2.2 荷電膜超濾過(guò)程在乳清蛋白分離中的應(yīng)用

在乳清加工過(guò)程中，雖然常利用超濾過(guò)程來(lái)制備WPC 和WPI，但是當(dāng)制備單個(gè)功能活性蛋白，尤其蛋白間分子量大小接近時(shí)，僅靠超濾膜的孔徑篩分作用，很難將目標(biāo)蛋白有效地分離，獲得的蛋白純度也很低。有研究者指出，在乳清蛋白的分級(jí)分離過(guò)程中，只有當(dāng)待分離目標(biāo)蛋白與共存蛋白之間的分子量相差10 倍以上時(shí)，超濾過(guò)程才能將兩者有效地分離。為了提高分子量接近的蛋白間的分離度，有研究者嘗試采用荷電超濾膜，即借助蛋白質(zhì)分子表面的電荷與超濾膜表面的電荷之間的靜電作用，以提高超濾膜的選擇性，從而實(shí)現(xiàn)分子量接近的蛋白間的分離。

乳清中α-La 和β-Lg 的相對(duì)分子量非常接近，僅憑超濾膜孔徑大小的篩分作用很難將兩者有效分離。但兩者的等電點(diǎn)不同（表1），因此可通過(guò)調(diào)節(jié)溶液的pH，進(jìn)而改變?chǔ)?La 和β-Lg 的凈電荷，從而使得二者和超濾膜間的靜電作用力存在差別，以提高超濾膜對(duì)兩種蛋白的選擇性。如Cowan等對(duì)聚醚砜超濾膜改性，使膜表面或孔中荷負(fù)電，用這種改性后的荷電超濾膜分離α-La和β-Lg的二元混合物。當(dāng)二元模擬混合體系的pH為7.2時(shí)，荷電聚醚砜膜的選擇性比不荷電的原膜高5倍，從1.42提高到7.5 左右。該研究結(jié)果表明，荷負(fù)電的超濾膜與荷負(fù)電的β-Lg之間的靜電排斥作用增強(qiáng)了β-Lg的截留率，從而使得超濾膜的選擇性提高。Arunkumar等則在pH為4.3時(shí)使用MWCO為300kDa荷正電的復(fù)合再生纖維素膜，來(lái)分離α-La和β-Lg的二元混合物，其研究結(jié)果同樣表明，與不荷電的復(fù)合再生纖維素膜相比，荷電超濾膜的選擇性提高了近5倍，該研究進(jìn)一步證明了荷電膜能夠有效地提高α-La和β-Lg間的分離選擇性。

上述研究中，雖然所使用荷電復(fù)合再生纖維素超濾膜的MWCO 比待截留的β-Lg 的分子量大15～20 倍，但借助于超濾膜與β-Lg 間的靜電斥力作用，仍可保持高的β-Lg 截留率和高的選擇性。此外，Arunkumar 等也嘗試了從牛奶血清滲透液（MSP）中分離α-La和β-Lg。MSP相比乳清中包含更多的β-Lg，β-Lg會(huì)更容易在膜表面堆積，因此α-La必須要穿過(guò)更厚的β-Lg溶液層，才能透過(guò)膜面，在一定程度上增加了α-La 的傳質(zhì)阻力。但與不荷電的膜相比，荷正電的復(fù)合再生纖維素膜對(duì)MSP 中α-La 和β-Lg 的的選擇性仍然提高了近兩倍。此外，該研究中還使用了不同的級(jí)聯(lián)構(gòu)型來(lái)提高兩種蛋白純度。結(jié)果表明，使用相同的荷正電超濾膜構(gòu)成的三級(jí)膜系統(tǒng)更為適宜，α-La和β-Lg的純度分別可達(dá)87%和83%。即采用荷電膜進(jìn)行級(jí)聯(lián)超濾可達(dá)到和色譜分離相當(dāng)?shù)募兌龋型麨棣?La和β-Lg的分離提純提供一種新方法。

除了將荷電超濾膜用于乳清中最難分離的α-La和β-Lg 間的分離提純過(guò)程，也可用于分離其他乳清蛋白。如Vlino等使用MWCO為100kDa荷電膜對(duì)含有BSA 和LF 的二元混合物進(jìn)行分離。當(dāng)溶液pH 為5 時(shí)，BSA 不荷電而LF 荷正電，采用荷正電的膜可以使BSA 幾乎全部透過(guò)膜而LF 完全截留，BSA 的通量可達(dá)30.2g/(m·h)，遠(yuǎn)高于Ndyaie所報(bào)道的通量2.0g/(m·h)。此外，也有研究者嘗試從乳清蛋白中分離糖巨肽（GMP）。如Bhushan用荷正電的膜從β-Lg 和GMP 的二元混合物中分離出GMP，不荷電的GMP 滲透過(guò)膜，而荷正電的β-Lg受到超濾膜的排斥作用而截留。最終結(jié)果表明，使用荷電的膜比不荷電的膜選擇性提高了6倍。緊接著作者還進(jìn)行了放大實(shí)驗(yàn)，證明了荷電膜可以從真實(shí)的奶酪乳清中分離出GMP。值得一提的是，在乳清中添加鹽會(huì)抵消掉膜荷電帶來(lái)的選擇性優(yōu)勢(shì)，但是通量會(huì)明顯增大。也有研究者制備含有聚六亞甲基雙胍制成的MWCO為1000kDa荷正電超濾膜用于乳清中GMP 的分離，與未荷電改性的超濾膜相比，其選擇性提高了14倍。另外，在超濾膜材料不變的情況下對(duì)比一級(jí)超濾與三級(jí)超濾系統(tǒng)對(duì)奶酪乳清中GMP的分離效果發(fā)現(xiàn)，一級(jí)膜系統(tǒng)可得到純度為90%的GMP，而三級(jí)膜系統(tǒng)則可將所分離的GMP的純度提高至97%。該研究再次證明荷電超濾膜采用級(jí)聯(lián)超濾的方法仍是獲得高純度和高收率的有效途徑。此外，所制備的含有聚六亞甲基雙胍制成的這種強(qiáng)荷正電膜可在電導(dǎo)率高達(dá)40S/m的乳清乳液中直接使用，無(wú)需額外添加清水稀釋，即該方法可以直接從奶酪乳清中分離出色譜純級(jí)的蛋白，這使得荷電膜超濾代替色譜法成為了可能，從而有利于乳清蛋白分離的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

荷電膜不僅可用于單個(gè)目標(biāo)蛋白的分離提純，也可以用來(lái)濃縮乳清蛋白。如Arunkumar 等就研究了使用大孔徑荷負(fù)電的再生纖維素膜濃縮乳清蛋白。將MWCO為100kDa的荷電膜與MWCO為10kDa的未荷電改性的超濾膜進(jìn)行比較，結(jié)果表明，兩種情況雖得到相同的蛋白質(zhì)截留率，但MWCO 為100kDa 的荷電超濾膜的通量卻比MWCO 為10kDa的未荷電改性的超濾膜的高出兩倍。這是因?yàn)椋韶?fù)電的超濾膜與荷負(fù)電的蛋白質(zhì)之間存在靜電排斥作用。因此，使用大孔徑的荷電超濾膜可以在保持高蛋白質(zhì)截留率的同時(shí)獲得更高的通量。此外，Arunkumar 等還測(cè)試了板式和卷式兩種不同膜組件對(duì)超濾濃縮乳清蛋白的影響，發(fā)現(xiàn)使用兩種不同構(gòu)造的膜組件，乳清蛋白截留率均可達(dá)98%。

由上可知，將荷電超濾膜用于乳清蛋白的分離、濃縮工藝，與普通超濾過(guò)程相比，具有更高的選擇性和滲透通量，蛋白質(zhì)的收率也相應(yīng)有所提高。荷電超濾膜不僅可用于乳清蛋白中主要的蛋白成分，如α-La和β-Lg等的分離，也可用于含量更少的蛋白，如LF和GMP等的分離過(guò)程。此外，荷電超濾膜的使用還可在一定程度上減少或避免膜污染的問(wèn)題，增加了膜使用壽命的同時(shí)減少了運(yùn)維費(fèi)用，有利于進(jìn)一步推動(dòng)超濾膜技術(shù)在乳清蛋白分離與濃縮方面的工業(yè)應(yīng)用。

3 電驅(qū)動(dòng)膜在乳清蛋白分離中的應(yīng)用

壓力驅(qū)動(dòng)膜以跨膜壓力為驅(qū)動(dòng)力，對(duì)于分子量大小相近的乳清蛋白，其選擇性仍然有限，需要通過(guò)多級(jí)膜系統(tǒng)或與其他技術(shù)相結(jié)合才能達(dá)到理想的的收率和純度。而電驅(qū)動(dòng)膜以外加電場(chǎng)力為驅(qū)動(dòng)力，借助于電泳遷移和孔徑篩分的共同作用，可進(jìn)一步提高目標(biāo)蛋白的分離選擇性。此外，壓力驅(qū)動(dòng)膜過(guò)程中，溶液中不同的蛋白質(zhì)在外界壓力的作用下容易沉積在膜表面或吸附堵塞膜孔；而電驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程中，電場(chǎng)力的存在會(huì)使得料液中部分荷相反電荷的大分子蛋白質(zhì)背離超濾膜方向的遷移速度增加，膜面凝膠層減少或者消失，從而在一定程度上減輕了濃差極化和膜污染程度，有助于提高目標(biāo)蛋白質(zhì)溶液的滲透通量以及延長(zhǎng)膜的使用壽命。因此，近年來(lái)電驅(qū)動(dòng)膜技術(shù)在乳清蛋白分離中的應(yīng)用引起了人們的關(guān)注。

3.1 電超濾過(guò)程在乳清蛋白分離中的應(yīng)用

電超濾（EUF）是在傳統(tǒng)膜過(guò)濾單元上疊加電場(chǎng)，通過(guò)蛋白質(zhì)電泳遷移率的差異和膜孔徑篩分作用來(lái)增強(qiáng)膜分離的選擇性，是降低濃差極化提高滲透通量和產(chǎn)品純度的有效方法之一。其有效性在果汁澄清以及濃縮和純化蛋白質(zhì)中已經(jīng)得到證實(shí)。在采用EUF濃縮BSA溶液的實(shí)驗(yàn)中，Song等研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，目標(biāo)蛋白質(zhì)BSA 濃縮兩倍所需要的時(shí)間比不施加電場(chǎng)減少了80%。這說(shuō)明EUF在提高滲透通量的同時(shí)增大了BSA 蛋白的截留率，加快了蛋白質(zhì)的濃縮，成為常規(guī)超濾濃縮乳清蛋白的可行替代工藝。另外，在EUF 中滲透通量隨著電場(chǎng)、壓力和錯(cuò)流速度的增加而增加，且pH 在蛋白等電點(diǎn)時(shí)可實(shí)現(xiàn)最大的分離度和更高的滲透通量。并且使用大孔徑的超濾膜時(shí)，膜污染進(jìn)一步減少，滲透通量更高。

在膜上施加外加電場(chǎng)不僅提高滲透通量，也是提高分離選擇性和產(chǎn)品純度的有效方法。例如在分離兩個(gè)等電點(diǎn)不同的蛋白質(zhì)過(guò)程中，適當(dāng)調(diào)節(jié)pH可以使蛋白帶不同的電荷，選擇電場(chǎng)的極性就可使分子量較大的蛋白質(zhì)分子向遠(yuǎn)離膜的方向移動(dòng)，從而便于分子量較小的蛋白質(zhì)分子跨膜遷移，獲得更高的通量和純度。用電微濾（EMF）分離乳清蛋白混合物中LF的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在pH為7的中性條件下，LF 荷正電而β-Lg 和α-La 荷負(fù)電，當(dāng)施加電場(chǎng)且陰極位于進(jìn)料液一側(cè)時(shí)，α-La和β-Lg跨膜遷移到滲透室，而LF向遠(yuǎn)離膜方向遷移被截留下來(lái)。LF 與兩種主要乳清蛋白β-Lg 和α-La 的分離因子分別達(dá)到3.0和9.1。這說(shuō)明電場(chǎng)的應(yīng)用使分離選擇性明顯增強(qiáng)。另外，外加電場(chǎng)使膜的滲透通量增加了3倍，且膜污染的程度顯著降低，該研究證明了EUF在奶酪乳清中的分離潛力。

影響EUF 性能的主要因素有兩個(gè)方面。一是進(jìn)料液的性質(zhì)：蛋白的荷電性及荷電量、酸堿度、進(jìn)料濃度、電導(dǎo)率和電泳遷移率。二是主要的工藝參數(shù)：跨膜壓力、進(jìn)料流速、電場(chǎng)強(qiáng)度和電流類(lèi)型。這些因素需要相互調(diào)節(jié)以達(dá)到目標(biāo)蛋白的分離或濃縮，同時(shí)減少膜表面的污染。例如EUF 應(yīng)用于乳清蛋白分離時(shí)應(yīng)確保被分離的蛋白質(zhì)等電點(diǎn)明顯不同，以保持蛋白質(zhì)的電泳遷移率具有顯著差異。同時(shí)還應(yīng)注意待分離混合體系中鹽離子的濃度，由于鹽離子和蛋白質(zhì)在外加電場(chǎng)的作用下，存在競(jìng)爭(zhēng)遷移，過(guò)高的鹽離子濃度會(huì)對(duì)EUF 分離蛋白過(guò)程產(chǎn)生不利影響，即荷電的蛋白質(zhì)在低離子強(qiáng)度的溶液中具有更好的分離效果。另外，電極與溶液界面會(huì)發(fā)生電解反應(yīng)，影響溶液pH，進(jìn)而對(duì)蛋白分離選擇性和收率造成負(fù)面影響。

此外，EUF過(guò)程中大多采用直流電場(chǎng)，但也有研究表明，交變電場(chǎng)或脈沖電場(chǎng)能明顯引起凝膠層和膜孔中荷電粒子的震動(dòng)，從而進(jìn)一步減輕蛋白污染，提高膜的滲透通量，降低過(guò)程運(yùn)行能耗。以乳清蛋白中BSA 配制的模擬溶液為研究對(duì)象，Zumbusch等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加交變電場(chǎng)時(shí)，BSA的滲透通量增加，且電場(chǎng)的影響在低頻下更為明顯。Oussedik 等發(fā)現(xiàn)利用脈沖電場(chǎng)進(jìn)行EUF是降低膜阻力的有效方法，采用脈沖電場(chǎng)（=700V/m）可使?jié)B透通量提高約300%。因此，不同的電場(chǎng)形式也為乳清中獲得具有潛在應(yīng)用價(jià)值的蛋白質(zhì)組分提供了一種有效的方法。

3.2 電滲析/超濾耦合技術(shù)在乳清蛋白分離中的應(yīng)用

電滲析/超濾耦合技術(shù)（EDUF）是一種分離荷電大分子物質(zhì)的新型技術(shù)。用超濾膜代替部分離子交換膜，或在傳統(tǒng)電滲析器的陰、陽(yáng)離子交換膜間引入超濾膜，從而將電滲析和超濾過(guò)程有機(jī)結(jié)合而成的一種膜過(guò)程。EDUF將電滲析的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到了生物分子，如聚氨基酸、肽或蛋白質(zhì)等的分離和濃縮領(lǐng)域。該技術(shù)主要根據(jù)物質(zhì)分子量和電荷的不同來(lái)進(jìn)行分離。最基礎(chǔ)的EDUF 構(gòu)型是在傳統(tǒng)電滲析器的陰、陽(yáng)離子交換膜之間引入一張超濾膜，從而構(gòu)成的四隔室結(jié)構(gòu)（圖3）。其中進(jìn)料室位于陽(yáng)極一側(cè)，進(jìn)料液中的陽(yáng)離子組分透過(guò)超濾膜遷移到回收室。EDUF中唯一的驅(qū)動(dòng)力是垂直于流體流動(dòng)方向的電場(chǎng)力，每種物質(zhì)的荷電性不同，荷質(zhì)比不同，則電泳遷移率亦不同，進(jìn)而導(dǎo)致遷移速度和遷移方向各不相同，而達(dá)到分離的目的。EDUF 與傳統(tǒng)超濾過(guò)程相比，具有更高的選擇性，能夠有效減輕壓力驅(qū)動(dòng)超濾膜過(guò)程的的膜污染問(wèn)題。此外，電滲析過(guò)程中發(fā)生的脫鹽作用使得它更適用于從高電導(dǎo)率的進(jìn)料溶液中分離蛋白質(zhì)。

圖3 EDUF膜對(duì)結(jié)構(gòu)

EDUF 的操作模式一般分為分離模式和洗脫模式兩種（圖4）。在分離模式下，兩個(gè)隔室分別加入含有兩種溶質(zhì)A 和B 的混合溶液。在洗脫模式下，其中一個(gè)隔室包含A和B的混合溶液，另一個(gè)隔室則加入緩沖溶液。Galier 等研究了分離和洗脫兩種操作模式，以分離α-La 和牛血紅蛋白。當(dāng)α-La 和牛血紅蛋白的二元混合模型溶液的初始濃度為0.1g/L 時(shí)，在洗脫模式下獲得的濃縮α-La 純度99.0%，收率66%，而在分離模式下α-La 純度60%，收率84%。很明顯，分離模式的蛋白收率是洗脫模式收率的1.3 倍，這表明就生產(chǎn)而言，分離模式可以達(dá)到更高的收率，并且對(duì)于分離相反電荷的蛋白質(zhì)更可取。相反，為了分離純度更高，洗脫模式則是首選，特別是對(duì)于分離荷同種電荷的蛋白質(zhì)。

圖4 EDUF的兩種模式

除此之外，其他研究者也驗(yàn)證了EDUF在分離單個(gè)乳清蛋白方面的可行性。Ndiaye 等使用EDUF 體系從乳清中分離出了LF。當(dāng)使用MWCO為500kDa的聚醚砜超濾膜從pH 為3.0、LF 含量為1g/L 的稀溶液中分離LF 時(shí)，過(guò)程運(yùn)行4h后的收率達(dá)到46%。但當(dāng)從LF 含量較高（1.1g/L±0.2g/L）的模擬乳清溶液中分離LF，LF 的收率則只有15%，明顯低于稀溶液時(shí)的遷移率。這可能是由于LF 與乳清中其他共存的蛋白間存在相互作用、相互競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，也有可能是因?yàn)槿榍逯兴男》肿拥V物質(zhì)首先遷移，從而降低了LF的電泳遷移率。更重要的是，在該研究中還發(fā)現(xiàn)，β-Lg 在每一種實(shí)驗(yàn)條件下，透過(guò)液中所占的比例都很高。尤其是在pH為3.0和4.0時(shí)，透過(guò)液中β-Lg的含量占總遷移蛋白的60%～64%。這個(gè)含量比之前采用壓力驅(qū)動(dòng)或者離子交換工藝得到的β-Lg 含量都要高，且過(guò)程的比能耗最低。該研究證明了EDUF從乳清中分離β-Lg 的潛力。Wang 等研究了用EDUF 將LF和IgG與其他乳清蛋白分離，且在分離過(guò)程中使用一對(duì)限制膜來(lái)防止回收的LF 和IgG 泄露到電極溶液中。而Deng 等則比較了不荷電的聚丙烯酰胺膜和陰、陽(yáng)離子交換膜分別作為電極限制膜時(shí)過(guò)程的分離性能。發(fā)現(xiàn)使用聚丙烯酰胺膜可以保持料液環(huán)境穩(wěn)定，進(jìn)料室和透過(guò)室的pH 變化很小；以陽(yáng)離子交換膜作為限制膜的EDUF構(gòu)型可獲得最高的蛋白質(zhì)回收率，而當(dāng)分離帶有凈正電荷的蛋白質(zhì)時(shí)，則最好使用陰離子交換膜作為限制膜，以減小膜面蛋白吸附污染。

EDUF 分離過(guò)程的選擇性可以通過(guò)調(diào)整緩沖溶液組成及pH、膜孔徑等來(lái)提高。根據(jù)分離目的以及分離模式的不同，EDUF分離體系中的超濾膜平均孔徑可以選擇大于目標(biāo)蛋白大小，以截留混合物中的其他大分子物質(zhì)，而使得目標(biāo)蛋白順利透過(guò)超濾膜；也可以選擇小于目標(biāo)蛋白大小的膜孔徑，以允許更小的物質(zhì)通過(guò)，目標(biāo)蛋白被截留而實(shí)現(xiàn)蛋白的濃縮和純化過(guò)程。此外，當(dāng)溶液的pH 大于蛋白質(zhì)等電點(diǎn)時(shí)，蛋白帶負(fù)電，而溶液的pH 小于等電點(diǎn)時(shí)，蛋白則帶正電。因此，在外加電場(chǎng)的作用下，可通過(guò)調(diào)整緩沖溶液組成及pH，使得待分離的目標(biāo)蛋白與其他共存蛋白荷有不同性質(zhì)的電荷，繼而在電泳遷移和孔徑篩分的雙重作用下，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)蛋白的分離和濃縮。如Gailer 等曾報(bào)道，在EDUF分離蛋白過(guò)程中，過(guò)程的選擇性主要是基于溶液中不同物質(zhì)傳質(zhì)速率的差異，而這種差異可能是由于電泳遷移率的差異（基于電荷模式），也可能是由于膜孔和溶質(zhì)的大小不同而產(chǎn)生的尺寸排斥效應(yīng)（基于尺寸的模式），或是兩者的組合（基于電荷和基于尺寸的模式）。在嘗試?yán)肊DUF 過(guò)程分離α-La和β-Lg的實(shí)驗(yàn)中，曾討論了電荷模式和尺寸模式兩種方法分離兩種蛋白的可行性。最終研究發(fā)現(xiàn)，改變?nèi)芤旱膒H 比改變膜孔孔徑對(duì)提高α-La的收率更為有效，使用MWCO為100kDa的醋酸纖維素膜、pH 為4.8 時(shí)，獲得了更高的分離效率，二者的分離系數(shù)為1.2。另外，在分離α-La和牛血紅蛋白的研究中則發(fā)現(xiàn)，在不影響純度和產(chǎn)品收率的情況下，增加進(jìn)料的濃度可以至少將產(chǎn)量提高5 倍。而不同的膜材料也對(duì)蛋白遷移有影響，Wang采用的相轉(zhuǎn)化法制備的聚丙烯醇膜對(duì)LF 和IgG有強(qiáng)排斥性，則允許乳清中其他蛋白質(zhì)以高通量通過(guò)。

3.3 EDUF分離乳清蛋白活性肽的應(yīng)用

將乳清蛋白進(jìn)一步水解，分離出其中具有特定價(jià)值的活性肽是乳清蛋白資源化利用的另一種方法。乳清蛋白是大分子蛋白，在人體中水解成短肽和游離氨基酸后方可被吸收，且對(duì)熱、酸敏感，易變性。研究發(fā)現(xiàn)，乳清蛋白通過(guò)酶解或發(fā)酵等方法可以獲得多種具有獨(dú)特理化性質(zhì)的生物活性肽。活性肽相對(duì)分子量小，可被人體快速吸收。目前，人們已經(jīng)從乳清蛋白水解液中提取了諸如抗菌肽、降血壓肽、抗氧化肽等活性肽。

近年來(lái)一些研究顯示采用EDUF可以成功從食品副產(chǎn)品中分離不同來(lái)源的肽，該技術(shù)不僅已用于分離和純化大豆、亞麻籽、魚(yú)、雪蟹、苜蓿或乳清蛋白水解物，而且還用于分離脫乙酰殼多糖低聚物、煙草多酚、綠茶兒茶素或蔓越莓果汁中抗氧化劑的富集等。對(duì)于乳清中的β-Lg，用胰蛋白酶水解后的產(chǎn)物中大約含有40 個(gè)肽。Poulin 等通過(guò)EDUF 成功地從β-Lg 的胰蛋白酶水解產(chǎn)物中分離出了13 種多肽。用兩或三張超濾膜可實(shí)現(xiàn)同時(shí)分離陽(yáng)離子和陰離子活性肽，其中可以用于抗高血壓的ACE抑制肽β-lg142-148的收率最高，為10.72%。另外，超濾膜的引入方式、電場(chǎng)強(qiáng)度和進(jìn)料溶液流速對(duì)目標(biāo)肽分離性能的影響研究結(jié)果表明，有效膜面積的增加和電場(chǎng)強(qiáng)度的提高可使目標(biāo)肽濃度增加。相反，料液流速對(duì)總肽向透過(guò)液中的遷移沒(méi)有太大影響，但會(huì)引起選擇性的變化。Doyen 等實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)電滲析裝置中同時(shí)進(jìn)行β-Lg 的酶促水解和水解產(chǎn)物的分離。成功分離出15個(gè)陰離子肽和4個(gè)陽(yáng)離子肽。另外，蛋白質(zhì)水解前的預(yù)處理、使用不同的酶來(lái)酶解蛋白、蛋白質(zhì)本身的水解都會(huì)影響EDUF過(guò)程中對(duì)活性肽的分離。如沈浥等研究發(fā)現(xiàn)，胰蛋白酶酶解的效果最好，而相比單酶酶解，復(fù)合酶酶解不僅可以提高乳清蛋白模擬溶液的酶解效率，在一定程度上還可以修飾苦味肽，減少產(chǎn)品苦味。

超濾膜的理化性質(zhì)對(duì)EDUF分離活性肽有顯著的影響。Bazient 課題組發(fā)現(xiàn)在濾膜的九種理化性質(zhì)對(duì)比中，zeta電位、電導(dǎo)率、粗糙度和過(guò)濾層大孔分布百分比四個(gè)性質(zhì)對(duì)肽的整體遷移顯著相關(guān)。此外對(duì)個(gè)別單肽而言，接觸角也有相當(dāng)大的影響。同時(shí)根據(jù)冗余分析發(fā)現(xiàn)，zeta 電位和粗糙度是肽污染的主要因素，表明肽的污染主要是由粗糙的膜表面與活性肽間的靜電相互作用造成的。另外采用MWCO分別為30kDa和50kDa聚醚砜膜對(duì)比發(fā)現(xiàn)，膜孔徑不影響肽的污染，而相同條件下聚偏氟乙烯膜和聚丙烯腈膜顯示，當(dāng)膜孔徑增大時(shí)，肽的污染減少，且無(wú)論肽的親水性如何，疏水性的膜總是比親水性膜的污染程度更大。此外，在Kadel的結(jié)論中最后給出了分離各種乳清蛋白水解物中主要活性肽的濾膜最佳類(lèi)型。例如分離降膽固醇肽IDALNENK 最好是采用分子量5kDa 的聚醚砜膜，這為其后的研究工作提供了極大的便利和有益參考。

4 乳清蛋白分離中的膜污染及其控制

在膜分離過(guò)程中，膜污染和濃差極化現(xiàn)象是造成膜通量下降的主要原因。同時(shí)蛋白的流失也制約著膜技術(shù)在乳清蛋白回收中的推廣應(yīng)用。Muller等研究發(fā)現(xiàn)隨著跨膜壓力的升高，膜污染加重，導(dǎo)致通量下降，透過(guò)的α-La濃度減小，降低了α-La的收率。孫顏君等表明乳清中含有磷酸鈣，它起到穩(wěn)定乳清蛋白結(jié)構(gòu)的作用。由于磷酸鈣分子量較小，很容易透過(guò)膜孔徑與蛋白分離，當(dāng)磷酸鈣失去了蛋白保護(hù)層，容易在膜表面和膜孔中形成沉淀。另外，乳清蛋白聚集體的形成也是超濾過(guò)程中造成膜污染的原因，這種現(xiàn)象是由于蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)-膜的相互作用力造成的。在乳清蛋白分離的膜過(guò)程中，pH 和鹽離子的變化均會(huì)影響蛋白質(zhì)的構(gòu)象和電荷的變化，從而聚集沉積在膜表面使污染加劇。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)超濾過(guò)程中的操作參數(shù)，如料液組成和濃度、pH、溫度、離子強(qiáng)度以及跨膜壓力等可以改善膜污染問(wèn)題。研究顯示，在蛋白質(zhì)等電點(diǎn)條件下膜污染嚴(yán)重且通量最小，當(dāng)pH 遠(yuǎn)離等電點(diǎn)時(shí)通量增加，這主要是由于蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)處溶解度最小，容易沉積在膜表面。此外，較低的跨膜壓力、略高的溫度、低離子強(qiáng)度都能在一定程度上減少膜污染。另外考慮到乳清蛋白是一種復(fù)雜的混合蛋白，針對(duì)不同目標(biāo)蛋白的不同性質(zhì)，對(duì)應(yīng)的最適操作條件也不同。

除此之外，也有研究者發(fā)現(xiàn)，乳清中的α-La、β-Lg以及活性肽等與大分子蛋白IgG相比，更容易在膜表面發(fā)生沉積以及堵塞在膜孔中導(dǎo)致膜污染。研究證實(shí)，與小尺寸蛋白質(zhì)相比，大尺寸蛋白質(zhì)對(duì)膜的影響較小，也更容易清潔。因此在超濾濃縮乳清蛋白的過(guò)程中增加蛋白質(zhì)尺寸也可以減少膜污染，同時(shí)增加膜通量和乳清蛋白回收率。其中，酶催化使蛋白質(zhì)聚合，可以增大蛋白質(zhì)整體大小，產(chǎn)生的酶聚合蛋白同樣具有一定的功能特性可應(yīng)用于食品和化工領(lǐng)域。王文瓊等采用酪氨酸酶催化乳清蛋白聚合，聚合后的大分子蛋白在膜表面形成疏松的餅層，增加了小分子蛋白的截留，酶處理后濾餅阻力和膜總阻力顯著性降低。相對(duì)于沒(méi)有通過(guò)酶聚合處理的對(duì)照組，膜通量提高了20%，乳清蛋白的截留率提高了27%。另外，采用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化交聯(lián)蛋白質(zhì)時(shí)，膜通量提高了30%～40%，截留率則提高了15%～20%。該研究結(jié)果表明，不同酶催化蛋白得到的蛋白形狀、表面電荷、形成的餅層都不相同，得到的通量和蛋白收率也不同。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在能夠交聯(lián)蛋白質(zhì)的各種酶中，轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶是最有效的，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)形成分子內(nèi)和分子間交聯(lián)來(lái)催化α-La、β-Lg，甚至酪蛋白巨肽，從而形成高分子聚合物。

酶催化蛋白聚合可以減少膜污染的另一個(gè)原因是溶液中微粒的粒徑和形狀對(duì)膜過(guò)濾效果的影響。研究表明，當(dāng)濾液中的物質(zhì)為方塊或者針形，過(guò)濾的速率會(huì)大大增加，而當(dāng)濾液中的物質(zhì)為圓形時(shí)，過(guò)濾速率會(huì)減小。這主要是因?yàn)榉叫魏歪樞蝺煞N形狀所形成的餅層可以增加過(guò)濾速度。由于乳清蛋白中的α-La和β-Lg為球形蛋白，因此在蛋白聚合酶的作用下聚合形成不規(guī)則形狀，在膜表面形成疏松的餅層，增加了過(guò)濾的速度，膜通量增加。

調(diào)節(jié)膜與蛋白之間的相互作用也是減輕膜污染和濃差極化的方式之一，采用新型的膜材料或者改善現(xiàn)有膜材料的親疏水性、荷電性等方式增大對(duì)溶質(zhì)分子的排斥力，以減少膜表面蛋白沉積。例如，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)表面的靜電荷和膜表面的電荷之間的電性相反時(shí)，膜與蛋白間的靜電吸引作用將會(huì)促進(jìn)蛋白質(zhì)在膜表面的吸附，吸附蛋白也有可能在膜上發(fā)生變性和聚集。而當(dāng)膜與蛋白間存在靜電排斥作用時(shí)，將會(huì)有效減輕或避免蛋白在膜面的吸附。另外，膜材料的親、疏水性也會(huì)影響膜通量的大小。如聚砜膜是疏水性膜材料，疏水性膜對(duì)蛋白的吸附能力比較強(qiáng)，蛋白質(zhì)會(huì)在膜表面沉積或吸附到膜孔中而導(dǎo)致膜孔阻塞通量下降，這與Damar 等實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)論相同。一般認(rèn)為，在超濾過(guò)程中，親水性的膜對(duì)乳清蛋白具有較高的滲透通量和較低的通量衰減率；且親水性的膜清洗后膜通量的恢復(fù)通常更快。當(dāng)然，目前很多改性的新型超疏水復(fù)合膜對(duì)蛋白同樣具有高的膜通量和截留率，且同時(shí)兼具良好的抗污能力。除此之外，膜的粗糙度對(duì)蛋白的跨膜遷移也有影響，高粗糙度的膜增加了蛋白和乳糖的截留率

目前，無(wú)機(jī)陶瓷膜由于耐高溫、耐腐蝕、抗污染強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)也逐漸用于乳清蛋白膜回收的研究中。在Erdem等、Almcijam 等、Hinkocva 等的實(shí)驗(yàn)中陶瓷膜展現(xiàn)了較高的蛋白截留率。但就總體來(lái)看，在乳清蛋白回收領(lǐng)域主要還是采用價(jià)格低廉、技術(shù)成熟的高分子聚合膜。常見(jiàn)的膜材料，例如再生纖維素膜對(duì)乳清蛋白有更高的濃縮效果，有較高的抗污染性能，但是它的選擇性較差。同時(shí)，在分離α-La和β-Lg的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，復(fù)合再生纖維素膜對(duì)α-La的截留率更高，而聚醚砜膜對(duì)β-Lg的截留率較高。此外，聚醚砜膜用于制備乳清蛋白粉效果更好，有明顯的耐氯性?？偠灾?，具有親水性、表面光滑、孔隙率高、粗糙度低、孔結(jié)構(gòu)呈海綿狀結(jié)構(gòu)的膜材料最適合分離濃縮乳清蛋白，因?yàn)樗哂休^強(qiáng)的抗污染能力、高的截留率和高通量。

由于蛋白質(zhì)和超濾膜間相互作用的復(fù)雜性，目前膜污染仍然是膜技術(shù)應(yīng)用于乳清蛋白分離濃縮方面的主要挑戰(zhàn)。有研究者建立了不同的數(shù)學(xué)模型用于預(yù)測(cè)膜污染過(guò)程中膜通量隨時(shí)間的變化規(guī)律，其中完全堵塞、中間堵塞、標(biāo)準(zhǔn)堵塞、濾餅形成等模型通常都被用來(lái)分析蛋白質(zhì)過(guò)濾中的通量衰減問(wèn)題。例如Corbatón-Báguena 等結(jié)合兩種主要污染機(jī)制（完全孔隙堵塞和濾餅形成）構(gòu)建組合模型，所構(gòu)建模型的擬合精度高于0.960。也有研究者借助新技術(shù)對(duì)膜污染的形成過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如采用紅外光譜、紫外/可見(jiàn)反射光譜監(jiān)測(cè)法、共聚焦激光掃描顯微鏡、熒光光譜、流動(dòng)電勢(shì)、超聲波時(shí)域反射儀等先進(jìn)分析儀器，檢測(cè)乳清的超濾過(guò)程中膜污染的形成機(jī)制，探討蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-膜之間的相互作用機(jī)理，為有效控制膜污染提供理論依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

乳品行業(yè)乳清廢水的排放造成了大量的蛋白資源浪費(fèi)和水資源浪費(fèi)，加重了環(huán)境保護(hù)的難度。因此，將乳清中的蛋白進(jìn)行資源化回收利用具有極大的環(huán)境意義和經(jīng)濟(jì)效益。乳清蛋白的高營(yíng)養(yǎng)和功能特性使其在食品和制藥領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。隨著乳清蛋白分離技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的實(shí)現(xiàn)，將會(huì)提高乳清蛋白產(chǎn)品性價(jià)比，降低市場(chǎng)中功能性食品或保健品的原料成本，獲得極大的經(jīng)濟(jì)效益。本文總結(jié)了眾多學(xué)者在探索乳清蛋白分級(jí)分離方面取得的大量研究成果。目前超濾技術(shù)已廣泛用于工業(yè)化制備乳清蛋白粉等產(chǎn)品，且電驅(qū)動(dòng)膜分離技術(shù)EUF以及EDUF工藝體現(xiàn)了良好的分離效果。探索出低成本、高選擇性、高純度、高收率、可工業(yè)化實(shí)施的膜分離方法是未來(lái)的主要發(fā)展方向。另外還需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入的理論研究與工藝開(kāi)發(fā)。

（1）目前還少有研究從乳清中分離提取得到純度較高的單個(gè)α-La或β-Lg產(chǎn)品。因此需要積極探索開(kāi)發(fā)新型膜材料、模組件和工藝設(shè)計(jì)等，進(jìn)一步提高兩者的分離效率。

（2）荷電超濾膜技術(shù)與EDUF技術(shù)都極大地提高了過(guò)程的分離選擇性，因此將荷電超濾膜結(jié)合EDUF 技術(shù)具有重要意義。可以進(jìn)一步研究EDUF工藝中超濾膜不同的荷電性、荷電量對(duì)乳清中蛋白質(zhì)分離的影響。

（3）對(duì)于EUF和EDUF技術(shù)，其應(yīng)用到實(shí)踐中還存在很多技術(shù)上和商業(yè)化的難題，需要通過(guò)進(jìn)一步研究評(píng)估其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。

（4）分離純化后的濃縮干燥工藝，也是實(shí)現(xiàn)功能性乳清蛋白產(chǎn)業(yè)化的重要部分，需要進(jìn)一步研究如何保持純化后蛋白質(zhì)一定的生物活性及其特有結(jié)構(gòu)，以便發(fā)揮其功能特性。