超滤法分离干酪乳清中蛋白的研究

蒋 超， 张 彧， 陈 历 俊， 姜 铁 民

( 1.大连工业大学 食品学院， 辽宁 大连 116034;2.北京三元食品股份有限公司， 北京 100085 )

0 引 言

乳清是工业生产干酪和干酪素的副产物,按生产1 t干酪排放9 t乳清计,每年都有上亿吨的乳清等待利用和处理[1]。乳清营养价值较高，含有丰富的蛋白质、乳糖以及多种矿物质和水溶性维生素等。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、乳铁蛋白、乳过氧化物酶等[2]，由于它们具有降低血液胆固醇水平、增强机体免疫力、促进肠道有益菌生长[3-4]等生理功能，目前被广泛应用于运动饮料、营养食品等行业。

膜分离技术是近年发展起来的单相和多相分离的高新技术，具有分离纯度高、操作简单、条件温和等特点，在工业废水处理、分离生物大分子以及医药等领域中应用较多[5]。近年来，随着我国干酪产量的不断增加，乳清资源也越来越丰富，但是干酪乳清存在混浊度较高，处理过程复杂等问题，所以常常以废水形式排放，这不仅污染环境，而且造成巨大浪费。目前，膜技术作为分离乳清蛋白主要方法之一，在国外已被应用，但是国内关于此技术的相关文献报道却较少。本研究以热钙法预处理干酪乳清，采用超滤技术去除乳糖并回收乳清蛋白，为工业化生产乳清蛋白及干酪乳清的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 原料、试剂及仪器

干酪乳清，北京三元食品股份有限公司乳品四厂；BSA标品，美国Pierce公司；Folin Phenol，sigma公司。

板式超滤设备、超滤膜(截留分子质量10 ku)，美国Millipore公司；LC-6M大容量冷冻离心机，上海市离心机械研究所；Cintra 20分光光度计，澳大利亚GBC公司。

1.2 干酪乳清预处理条件的确定

向干酪乳清中加入不同质量分数氯化钙(0、0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%、0.24%、0.28%、0.32%、0.36%)，搅拌后用2 mol/L NaOH调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 ℃保温8 min，冷冻离心后取上清液[6]，通过对混浊度[7](500 nm吸光值)和280 nm蛋白吸收峰检测确定最佳预处理条件。

1.3 超滤分离乳清蛋白

1.3.1 单因素试验

在流速一定的条件下，以膜的透水通量及乳糖脱除率为指标，分别研究超滤压力0.14 MPa(20 psi)、0.17 MPa(25 psi)、0.21 MPa(30 psi)、0.24 MPa (35 psi)，温度(20、30、40、50 ℃)，料水体积比(未稀释、4∶1、2∶1、1∶1)，乳清pH(3.0、4.5、6.0、7.5)对超滤影响。

1.3.2 正交试验

在单因素试验结果的基础上，以膜的透水通量及乳糖脱除率为指标，按L9正交表排列进行正交试验，优化超滤工艺最佳条件。

1.4 指标测定方法

1.4.1 透水通量测定[8]

Jw=W/Aτ

式中，Jw为单位时间单位面积透过水的溶剂量；W为透过水量；A为膜的有效面积；τ为超滤过程所用时间。

1.4.2 乳糖脱除率测定

R=C2/C1

式中，C1为料液中目的溶质的质量浓度；C2为透过液中目的溶质的质量浓度。

1.4.3 乳糖含量测定

采用比色法测定原料及透过液中乳糖含量[9]。

1.4.4 蛋白含量的测定

采用Lowry法测定超滤原料及截流液蛋白含量[10]。

2 结果与分析

2.1 预处理条件的选择

干酪乳清中存在的酪蛋白残余物及脂类残基不仅干扰膜分离过程，同时损害乳清蛋白的生物性能[11]，采用热钙处理可以消除解决酪蛋白残余物及脂类残基的影响，降低乳清混浊度，提高膜的透水通量[12]。因此本试验在超滤前首先确定了预处理乳清的条件。

2.1.1 不同CaCl2加入量对干酪乳清预处理的影响

向乳清中加入适量的CaCl2可以降低乳清混浊度，同时减少处理过程中蛋白的损失，图1(a)为不同质量分数CaCl2对干酪乳清的影响。结果表明，随着CaCl2质量分数增大，乳清的混浊度逐渐降低，当CaCl2质量分数高于0.12%之后，混浊度变化较小；但是CaCl2质量分数为0.12%时，与0.28%的CaCl2加入量相比，后者所得蛋白含量明显高于前者，所以确定最适CaCl2质量分数为0.28%。

2.1.2 不同pH对干酪乳清预处理的影响

合适的pH值可以促进CaCl2与乳清中脂类形成絮状沉淀，得到混浊度较低的乳清。图1(b)为CaCl2质量分数为0.28%时，不同pH值对干酪乳清混浊度的影响。结果显示，随着pH值不断增加，乳清的混浊度也逐渐降低，当pH为6.6～7.0时，干酪乳清500 nm吸光值达到最低值，澄清度最高;之后吸光值随pH增加缓慢增加，变化较小；而蛋白质含量在pH高于6.2后，基本保持不变。因此确定预处理干酪乳清pH为6.6～7.0。

在上述试验确定的条件下，对预处理后乳清进行检测。结果表明，预处理后总蛋白质量浓度由7.5减小到5.9 mg/mL，原因可能是在处理过程中残余酪蛋白及脂蛋白减少所致，但经过处理后的乳清，混浊度(500 nm吸光值)由2.74减小到0.07，可见乳清的澄清度大幅提高，可以极大改善超滤试验的分离效率。

图1 不同条件对干酪乳清预处理影响Fig.1 Effect of pretreatment on different conditions of cheese whey

2.2 超滤单因素试验

2.2.1 压力对超滤的影响

在超滤浓缩蛋白时，选择合适的操作压力，可以在去除小分子物质同时避免膜表面“凝胶层”的形成，获得最佳超滤效果，图2为不同压力对超滤膜透水通量及乳糖脱除率的影响，由此可以看出，透水通量随着压力增大逐渐增大，但是压力达到0.17 MPa(25 psi)后，其通量变化幅度较小，原因是由于大分子溶质在膜表面吸附聚集达到饱和浓度形成凝胶层，随着压力增加凝胶层厚度增加，导致透水通量不再增加；而乳糖脱除率也是随压力增大逐渐增大，在0.21 MPa(30 psi)时达到最大，随后降低，因此结合以上两因素确定正交试验压力范围为0.17 MPa(25 psi)～ 0.24 MPa (35 psi)。

2.2.2 温度对超滤的影响

在压力一定条件下，分别在20、30、40、50 ℃下进行超滤试验，如图3所示，透水通量随温度升高而增加，在30 ℃达到最大，之后缓慢下降，这是由于随温度上升，乳清的黏度降低，流体在膜表面间隙中的流动速度加快，形成浓差极化的程度降低，温度在到达30 ℃后透水通量有所下降，其原因是温度升高膜表面的吸附能力增加，加重膜的污染；温度对乳糖脱除率影响不大，在20～50 ℃乳糖脱除率在60%～70%，同时操作温度的选择还受到微生物污染、蛋白变性等因素的影响，因此，正交试验操作温度选择室温为宜。

2.2.3 料水比对超滤的影响

不同料水比对透水通量及乳糖脱除率影响如图4所示。由图4可知，随料水比的不断增加，透水通量变化不大，均在21 L/(h5m2)左右；乳糖脱除率随料水比的增大先增加后下降，在料水体积比为1∶1时，乳糖脱除率远低于其他稀释度，故选择正交试验料水体积比为2∶1、4∶1、不加水稀释。

图2 压力对超滤膜透水通量及乳糖脱除率影响Fig.2 Effect of pressure on the permeate flux and lactose permeation

图3 温度对超滤膜透水通量及乳糖脱除率影响Fig.3 Effect of temperature on the permeate flux and lactose permeation

图4 料水比对超滤膜透水通量及乳糖脱除率影响Fig.4 Effect of ratio of materials to solution on the permeate flux and lactose permeation

2.2.4 pH值对超滤影响

图5为不同pH值对超滤膜透水通量及乳糖脱除率影响。从图5可以看出，透水通量随pH升高缓慢增加，pH值高于4.5后透水通量逐渐降低，根据文献报道，乳清中磷酸钙沉淀随pH值升高而生成[13]，因此试验中随pH值升高形成的磷酸钙沉淀可能成为污染膜的主要因素，影响透水通量；乳糖脱除率随pH升高也呈先升高后降低的趋

图5 pH值对超滤膜透水通量及乳糖脱除率影响Fig.5 Effect of pH on the permeate flux and lactose permeation

2.3 超滤参数的优化

2.3.1 正交试验因素水平

根据单因素水平试验结果，以压力、pH、料水比为主要因素，以透水通量和乳糖脱除率为主要指标，设计三因素三水平L9(33)正交试验，因素水平表见表1所示。

表1 正交试验因素水平表Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

2.3.2 正交试验结果及分析

表2是3种因素对透水通量和乳糖脱除率的影响结果，可以看出对超滤透水通量影响最大因素是料水体积比，其次为pH值，压力影响最小，

表2 正交试验结果及分析Tab.2 Results and analysis of orthogonal test

其最佳组合为A1B3C3，而对乳糖脱除率影响最大因素为压力，各因素对乳糖脱除率影响主次顺序为：压力>料水比>pH值，其最佳组合为A2B2C3，因此综合影响因素大小及最适条件，确定超滤最佳工艺条件为A2B3C3，即压力0.21 MPa(30 psi)，pH 6，料水体积比2∶1。

2.3.3 验证试验

在最佳工艺条件下进行超滤试验，结果显示优化后超滤膜透水通量为32.66 L/(h5m2)，乳糖脱除率为93.13%，蛋白截留率为94.65%。说明A2B3C3确为最佳超滤条件，与分析结果一致。

3 结 论

(1)干酪乳清预处理的最佳工艺为：干酪乳清中CaCl2的质量分数为0.28%，pH为6.6～7.0，在此条件下，可以去除大量脂类杂质，降低乳清混浊度，减少后期超滤过程中膜的污染。

(2) 本试验通过正交试验，确定超滤最佳工艺条件为压力0.21 MPa(30 psi)，pH 6.0，料水体积比2∶1，在此条件下透水通量为32.66 L/(h5m2)，乳糖脱除率为93.13%，蛋白截留率为94.65%。采用该法可以有效地脱除乳糖等小分子杂质，并获得较高的蛋白截留率，为工业化生产乳清蛋白及干酪乳清的合理利用提供理论依据。

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