牛奶加工单元操作（五）——牛奶的浓缩

文/顾佳升

（上海奶业行业协会）

▲接本刊2016年第7期

牛奶加工单元操作（五）
——牛奶的浓缩

文/顾佳升

（上海奶业行业协会）

1　水在牛奶里的存在形态

牛奶里的水分占了约87%的份额（按质量计），是容纳其它各种物质的载体。脂肪球、蛋白质颗粒、乳糖和矿物质等各种物质，都以不同的形态分散在其中。然而为了经济便利地保存和运输牛奶，除去水分哪怕只是部分除去，都将是非常有意义的。

水分子（H2O）是由2 个氢原子与1 个氧原子组成的，从它们所带的等量正负电量来看，水分子应该是呈电中性的。但是由于1 个氧原子与2 个氢原子的结合并不在一条直线上，因而水分子是一个弱极性分子，存在正负2 个电极（图1）。

某一个水分子的氧原子端与另一个水分子的氢原子端之间存在着一种较弱的吸引力，叫“氢键”。和普通的水一样，牛奶中大部分的水分子也是这样有规则地连续分布的（图2）。

但是牛奶里有部分水分子却不是这样分布的。由于分散在牛奶里的绝大多数颗粒表面多多少少都带有电荷，如可溶性盐类的离子、胶体蛋白质颗粒、脂肪球膜等，水分子与它们会通过氢键发生相互作用，使得一部分靠近它们的水分子成层地聚附在这些颗粒的表面，颗粒被包裹在水分子中。因此，牛奶里颗粒状的乳干物质实际上都是不连续地分布在牛奶里的，颗粒的外周存在着由水分子形成的水化界面。形成水化层的颗粒被称为“水化粒子”，图3展示了带正电荷颗粒物质的水化层结构。

图1　不对称的水分子结构

图2　水分子之间的氢键示意图

图3　带正电荷的水化粒子

不参与水化层的水分子被称为“自由水”，而参与水化层的水分子被称为“束缚水（Bound Water）”。顾名思义，束缚水的自由度比自由水低，不容易蒸发。牛奶的沸点和冰点与纯水不同，处于同一高度的海平面时，牛奶的沸点比纯水高约0.55 ℃，而冰点低了约0.55 ℃。束缚水的其它物理化学性质也与纯水有所不同，例如黏度以及作为溶剂的溶解性能等，它们对牛奶的蒸发脱水浓缩操作具有重要的实际意义。

牛奶的“黏度”表现为抵抗流动的摩擦力。黏度除了与总固体含量有关之外，还与总固体成分组成有关，例如脂肪的存在可以降低浓缩奶的黏度，蛋白质和乳糖的存在将提高其黏度。牛奶中盐类种类和含量的微小变化对浓缩奶黏度的影响极大，无论是阳离子还是阴离子浓度的略微增高或降低，都会引起浓缩奶黏度的升高或降低，只有磷酸根离子是个例外。黏度还与温度有关，温度越高黏度越低；还与浓缩奶的储存时间有关，时间越长黏度越高，称为“储存黏稠化”，也称为“老化黏稠（Age Thickening）”。

平时我们很少感觉到处于静止状态时牛奶的黏度，只有在少数情况下，比如在不同温度下测定脂肪球上浮速度的时候才有所察觉。但是在流动状态下，牛奶的黏度就显示得比较充分，据测定，20 ℃时，生鲜牛奶的黏度是水的2.13 倍，未经热处理的脱脂奶的黏度是水的1.79 倍，未经热处理的乳清的黏度是水的1.25 倍，而含有5%乳糖的水溶液的黏度只是水的1.15 倍。过度加热的牛奶黏度更大，因为其中蛋白质的空间结构发生了变化，专业的说法为“蛋白质变性”，是指氨基酸链的组成结构虽然没变，但其“立体卷曲”的形状却已经发生了变化。

2　浓缩的原始方法

原始浓缩牛奶的方法也称为“平锅法”，是将牛奶尽可能“薄”地平铺在一个平底锅里，厚度约为2 cm；锅下用木炭等可以“幽幽燃着”的燃料加热，不能让牛奶沸腾，防止底部结焦，还要用小铲不断翻炒，帮助牛奶中的水分挥发；随着水分的挥发，牛奶逐渐变黏稠了，炭火必须由旺转幽；当牛奶的体积减少到一半时加入蔗糖，牛奶立即变得黏厚起来，此时“翻炒”动作要迅速快捷；待蔗糖融化均匀，立即停止加热并移入冷水浴降温，即成为“土炼乳”。

之所以称其为“土炼乳”，是因为蒸发水分时的温度较高、时间太长，产品的色香味和质地俱差，兑水复原后所得的复原奶品质也差。

不过在20世纪80年代之前，因设备投资和加工成本低廉，这种原始浓缩牛奶的方法曾经在我国存在过将近百年。在土炼乳的加工过程中，我们可以看到牛奶黏度的变化，随着牛奶里自由水分子的蒸发，牛奶干物质含量在不断提高，牛奶的黏度变得愈来愈大。当体积减少到一半时，其在海平面上的沸点约为101.5 ℃，此时牛奶的干物质含量约为25%；然后加入蔗糖使其浓度达到45%左右，其余为水分。加入大量蔗糖是为了抑制细菌的生长，就像腌制蜜饯那样。

3　浓缩的经典工艺

土炼乳的品质之所以差，是因为蒸发时温度高、时间长，引起了牛奶里营养成分变化，尤以其中的蛋白质为甚。由于纯水在海平面上的沸腾温度是100 ℃，而在海拔千米的高山上只有85 ℃，原因在于大气压力的变化，因此，只要调整真空度就能控制牛奶的蒸发温度。数百年来浓缩牛奶方法的本质改进，是将操作放到一个相对负压的环境里进行。实践表明，最高不能超过70 ℃，相当于处在不低于海拔10 000 m的高度；以低于55 ℃为宜，相当于处在不低于海拔16 000 m的高度。

20世纪30年代前后使用的浓缩操作原理如图4所示。当时为了提高传热速度，加热蒸汽管做成了盘旋状，牛奶进入浓缩锅后从盘管的外壁获得热量。由于锅里处于负压状态，牛奶升温到相应的沸点后开始沸腾，牛奶里的水分变成水蒸气后经由上口被抽出，这部分水蒸气也有个专用名称，为“二次蒸汽”。不过牛奶需要在锅里停留一段时间，等水分蒸发到浓缩所需要的程度时，才能打开出口阀放料。然后再进料，开始第二次浓缩，整个操作是间歇式的。

图4　真空浓缩锅示意图

进入浓缩工段的牛奶都需要先完成标准化，即脂肪和非脂乳固体的比例已经得到调整。浓缩操作只是除去其中的水分，随着自由水的蒸发，牛奶的黏度上升，沸腾的状态也发生变化。使用真空浓缩锅进行浓缩操作时，操作工需要通过真空浓缩锅外壳的玻璃窗口观察锅内浓缩奶的沸腾状态，一旦发现沸腾中的乳液表面出现光泽、四周的乳液涌向中心并呈现一个泡沫潭时，表明浓缩终点即将到来，如果继续加热操作则将面临溢锅和结焦的危险。当然更严格的检验还需要依靠仪器，常用的是使用折光仪来测定浓缩奶的折光率，或者使用比重计来测定其比重。

最近半个世纪以来，蒸发浓缩技术的新改进集中发生在增加牛奶的蒸发面积上。常用的办法是让牛奶沿着管径约为40 mm的管子内壁慢慢向下流，控制流量，使得牛奶在管壁上只形成薄膜而不充满管道，否则无法保持管道内部的真空度。管道的外壁与加热蒸汽直接接触，管道的内壁面积就是牛奶的蒸发面积。如果增加管子的数量，那么牛奶的蒸发面积也将成倍扩大。图5展示了列管式降膜真空浓缩锅的上部放大图，实际上在牛奶分配板下并列着许多根牛奶蒸发管，图中只显示了其中的一根。

列管式降膜真空浓缩锅的下半部分内部结构与图5类似，只不过倒转180°而已，另外底部的出口用来流出浓缩奶和抽取真空。浓缩锅的外壳壁上下各有一个口，是加热蒸汽的进出口（图6）。加热蒸汽在牛奶蒸发管之间的外部空间里流动，通过管壁将热量传递到管内；蒸发管内牛奶薄膜里的水分，在自上而下的运动中接受热量而不断蒸发，牛奶在向下流动的过程中也逐步变成了浓缩奶；最后，浓缩奶与二次蒸汽由底部出口导出，再经过一个气体和液体的分离装置将它们分开，完成蒸发浓缩操作。气体和液体的分离原理见图7。

从理论上来说，只要控制牛奶蒸发管的长度，就能实现所需要的浓缩程度。然而事实上，逐渐浓缩的牛奶黏度也将越来越大，因此制约了蒸发管的长度，极限为20 m，一般不超过10 m。另一方面，从降低能源消耗的角度来看，更合理的方案是将若干个“列管式降膜真空浓缩锅”串联起来，因为“二次蒸汽”含有相当高的热能，前一个列管式降膜真空浓缩锅排出的二次蒸汽可以作为下一个浓缩锅的热源使用。约束这个方案实现的因素有2 个，一是后一个列管式降膜真空浓缩锅内的真空度必须略高于前一个，二是浓缩了的牛奶黏度不断增大。从目前的技术装备现状来说，串联的最大值可以达到7。此时最末一级的真空度相当于海拔20 000 m的高度，纯水的沸点是45 ℃。不过在实际操作中普遍应用的是3 个列管式降膜真空浓缩锅串联起来的设备，称为“三效浓缩器”，因为其能源消耗、设备投资以及运行费用等综合成本最低。

图5　列管式降膜真空浓缩锅上部放大图

图6　列管式降膜真空浓缩锅外形示意图

图7　气体、液体分离装置原理图

浓缩到终点的牛奶只是一种半成品，可以进一步加工成甜炼乳（Condensed Milk）和淡炼乳（Evaporated Milk）两大类终端产品，而更多的浓缩奶是提供给干燥工段，作为进一步制成粉类制品（Powder）的原料。浓缩到达终点时，浓缩奶中的乳干物质含量随不同需求而各不相同。一般而言，加工甜炼乳和淡炼乳的乳干物质含量为24%～28%，加工脱脂奶粉和全脂奶粉的乳干物质含量为48%～50%，加工乳清粉的乳干物质含量不能低于52%。加工炼乳类产品的浓缩奶中干物质含量可以比较低，是因为乳糖的溶解度已经到了饱和状态的临界点，在保质期内可能析出沉淀。而作为进一步干燥成粉的浓缩奶中干物质含量需要更高一些，是为了尽可能缩短干燥成粉的时间，防止溶解性能的恶化。

（未完待续）

2016年中国畜牧兽医科技期刊发展论坛在呼和浩特召开

【本刊讯】（记者 祝文琪）2016年8月12日，中国畜牧兽医学会期刊编辑学分会在呼和浩特召开了2016年中国畜牧兽医科技期刊发展论坛，此论坛在中国畜牧兽医学会期刊编辑学分会成立至今每年举办一次，至今已有20多年。期刊编辑学分会理事长、《中国乳业》杂志社社长冯艳秋出席会议并致辞。学会副理事长兼秘书长孔平涛，副理事长戴有理、刘全、叶志刚，以及来自《中国畜牧杂志》《中国禽业导刊》《中国兽药杂志》《现代畜牧兽医》《中国兽医导刊》《动物营养学报》《饲料工业》《饲料博览》《饲料研究》《内蒙古农牧业》《畜牧与饲料科学》等50 多种优秀期刊的负责人和代表参加了此次会议。

改革开放30多年来，我国的期刊不断地高速发展，但是经过了传统互联网的崛起和现今移动互联时代到来所伴随的阅读方式的改变，传统期刊受到了很大的冲击。如何通过计算机网络技术实现传统媒体与新媒体的融合发展，打造全媒体信息服务平台，并实现社会效益与经济效益的同步增长，已成为期刊工作者需要面对和探讨的重要课题。为此，论坛结合当前畜牧兽医科技期刊发展的情况和趋势，邀请了清华大学《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司副总经理、副总编辑肖宏和先行品牌策略机构合伙人、项目总监贠志兴分别为大家作了题为“数字时代的期刊创新工作与国际化发展”和“企业品牌建设和推广”的报告。

佳宝乳业集团与济南移动合作 保障鲜奶冷链物流安全

【本刊辑】为了确保鲜奶从生产源头安全地送达消费者的手中，冷链物流是一种必不可少的食品安全保障措施。其中，温度实时监控是鲜奶运输过程中至关重要的一环，安全、有效的冷链物流将有效促进牛奶销售半径和保质期的延长。

目前，济南移动积极利用“车联网”和4G网络聚焦鲜奶冷链物流环节，与佳宝乳业集团合作共同打造“冷链温控车载远程监控系统”项目，为鲜奶生产厂家加强鲜奶生产流通和质量管理提供了安全可靠的保障。该项目借助信息化手段，通过4G数据回传、车联网平台技术和标准化车载模块，对鲜奶物流车在运输过程中的温度、车辆定位和里程油耗等进行实时检测，确保产品在运输过程中全程低温和运输安全，解决了过去在鲜奶运输过程中存在的无法实时监控运输状态的问题，实现了鲜奶品质的全程监控，确保了鲜奶物流运输的安全便捷，全程冷链运输，有效推动了“智慧食安”建设。

贝因美、天润乳业、三元食品、上陵牧业、澳优乳业等发布2016年半年报，现代牧业发布盈利警告

【本刊辑】贝因美婴童食品股份有限公司发布2016年半年度业绩预告修正公告，公告显示，归属于上市公司股东的净利润亏损21 000 万～23 000 万元。

天润乳业发布业绩预告称，经财务管理部初步测算，预计公司2016年1～6月实现归属于上市公司股东的净利润与上年同期1 982.83 万元相比，将增加155%左右。

三元食品预计2016年上半年实现归属于上市公司股东的净利润13 000 万～15 500 万元，与上年同期相比将增加156.41%～205.72%。

上陵牧业2016年上半年报告显示，截止到2016年6月30日，2016年上半年营业收入为1.55 亿元，较上年同期增长30.06%；净利润为2 337 万元，较上年同期下降4.21%。

现代牧业则发布盈利警告：2016年上半年现代牧业总营业额比2015年同期减少10%。由于进口大包粉和复原乳的冲击和影响，原料奶市场形势严峻及销售困难，导致截至2016年6月30日生产的原料奶中11%以上被喷制成奶粉。预期截至2016年6月30日，6 个月净亏损不少于4 亿元。

农垦生态循环农业现场交流会在江苏大丰上海农场举行

【本刊讯】（记者 王亚辉）2016年7月28日，由农业部农垦局主办，上海市农场管理局、上海市上海农场承办的农垦生态循环农业现场交流会在江苏盐城大丰区上海农场举行。农业部农垦局巡视员何子阳、农业处处长王林昌，光明食品（集团）有限公司副总裁张汉强，全国畜牧总站体系建设与推广处副处长杨军香，中国农垦乳业联盟主席、《中国乳业》/《中国猪业》杂志社社长冯艳秋，上海市上海农场党委书记、常务副场长何为志以及来自全国13 个垦区主管部门负责人和生猪、奶牛养殖企业负责人、生产技术人员约60 人参加了会议。会议就如何建成生态循环农业进行了深入的探讨。交流会期间，与会代表分别参观了上海农场海丰万头奶牛场、光明渔业8 万亩标准化鱼塘、黄海畜牧场5 万头生猪养殖基地、上海农场种养循环万亩示范园、海北10 万头生猪粪水还田处理中心，对上海农场规模化、标准化、集约化养殖以及三维循环、生态农业产业发展有了更加直观而系统的了解。

国家发展改革委将大庆市“中以奶牛产业合作项目”列为中以合作重点项目加以推进

【本刊辑】日前，国家发展改革委下发通知，将大庆市“中以奶牛产业合作项目”列为中以经济技术合作框架下农业技术合作重点项目予以推进。国家要求黑龙江省，一是加快合作项目建设，按时完成项目各项建设内容，确保以方技术、设备和管理模式充分落地。二是发挥以方技术和生产模式的优势，减少资源消耗，节约能源成本，加强养殖废弃物处理和回收利用，加强生产加工全环节质量监测和产品品质控制，提升本地奶牛养殖业的竞争力。三是总结积累本地生产经验，形成系统的建设运营方案，并逐步推广。

光明乳业与苏宁云商签署战略协议加速布局电商平台

【本刊辑】2016年7月20日下午，光明乳业副总裁李柯与苏宁云商营销总部副总裁田睿签署战略合作协议，并现场发布苏宁定制款——350 g莫斯利安2果3蔬。未来在大的战略合作背景下，双方将共享优势资源，共同完善O2O营销模式，为消费者提供更加便捷的消费服务。时至今日，光明乳业的电商平台在经过近一年的试水后，与苏宁云商集团展开进一步深入合作，签署战略合作协议，优势互补。光明乳业将借助苏宁云商集团的消费者大数据进行深入分析，研发、推出更贴合线上消费的新产品、新营销计划；同时，苏宁方面也可以依托光明乳业在乳品研发方面的优势带来的多元化的产品结构，为线上平台提供更加丰富多样的产品。通过战略合作，双方还将打通渠道，在户外广告、明星资源推广、广告引流等方面进行资源置换，创造合作共赢的局面。

燕塘乳业重拾冰淇淋业务抵御乳品行业低迷

【本刊辑】2016年8月5日，燕塘乳业正式发布旗下冰淇淋品牌——“诗华诺”，同时上市了多款诗华诺品牌冰淇淋。这已是公司近一个月第二次推出新产品。就在7月初，公司曾接连发布了“味嚼2016”“岁月臻典”和“益生君”三大系列近十款新产品。如此频繁发布新品，且重拾冰淇淋业务，燕塘乳业意在拓展新盈利点。“每个新产品的推出都希望能给公司带来新的增长点和影响力，”燕塘乳业相关负责人表示。有报告显示，中国冰淇淋行业正进入高速发展时期。中国产业信息网《2015-2020年中国冰淇淋连锁市场深度评估及市场专项调研报告》显示，2015年全球冰淇淋市场销售额已经超过680 亿美元，其中中国冰淇淋市场发展速度最为迅猛，每年正在以20%～30%的速度不断飙升。

河南省生鲜乳质量安全监控追溯系统二期建设全面启动

【本刊辑】日前，河南省生鲜乳质量安全监控追溯系统培训会在郑州举办，标志着该省生鲜乳质量安全监控追溯系统二期项目建设全面启动。河南省畜牧局奶业管理办公室负责人介绍，全省生鲜乳质量安全监控追溯系统共分三期，第一期奶车监控，已完成200 辆，并于2016年4月全面投入使用；第二期用户端平台建设和乳企收奶区监控，11月底前完成；第三期奶站监控、奶车全覆盖、全系统不断完善，计划于2017年全面实施。生鲜乳质量安全监控追溯系统将有助于加强对生鲜乳质量安全的监管，在生鲜乳生产、收购、运输等环节，实现全链条无死角、无盲点监管，确保生鲜乳质量安全。目前，生鲜乳质量安全监控追溯系统二期项目各有关单位将按照政府招标采购结果，签订项目实施合同，全面启动项目实施工作，确保2016年11月前全部建成投用，不断推进奶业信息化建设。

印度乳制品公司Kwality获7 700万美元投资

【本刊辑】2016年7月13日，印度最大的民营乳制品公司Kwality Ltd宣布获得一笔52 亿印度卢比（约合7 740 万美元）的风险投资，投资方是本土风投巨头Kohlberg Kravis Roberts&Co Ltd（KKR），ICICI Securities PD Ltd是本次融资的财务顾问。据悉，这笔投资将会用于拓展个人消费者产品业务。该公司总经理Sanjay Dhingra说道：“我们正处在公司发展的重要阶段——从B2B向B2C的商业模式转型，其中涉及到企业价值链中所有业务功能的优化、改善。”Kwality公司之前一直采用的是B2B商业模式，主要为企业客户供应各类乳制品，不过现在，他们希望进军个人消费乳制品市场，也就是我们通常说的B2C模式。利用本次融资，Kwality还会进一步加强乳制品基础设施建设，推出更多高利润、高附加价值的产品类别，包括奶酪、印度奶酪、定制口味的牛奶和酸奶等。

顾佳升（1948-），男，学士，高级工程师，研究方向为乳品加工及检验。

2014-11-12）