专利名称：对牛奶进行分离以生产酪蛋白和乳清蛋白的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对牛奶进行分离以生产酪蛋白和乳清蛋白的方法及装置，特别是 用陶瓷膜微滤系统对牛奶进行分离以生产酪蛋白和乳清蛋白的方法及装置，属于乳品加工 生产的技术领域。
背景技术：
干酪是液态乳经过凝乳、排乳清、发酵成熟而制成的一种营养价值很高的发酵乳 制品，它除了含有丰富的蛋白质、脂肪外，还富含维生素和微量元素等。干酪中的多数蛋白 质已经被降解为多肽和氨基酸，其吸收率高达96%以上，部分的脂肪已经被降解为不饱和 脂肪酸，有助于降低人体的血清胆固醇，有利于预防心血管疾病。干酪中的乳糖多数已经分 解为葡萄糖和半乳糖，尤其适合于有乳糖不耐症的消费群体，而且干酪的含钙量较高，有助 于儿童的生长发育，预防老年人的骨质疏松。全世界有1/3以上的原料乳用于干酪的生产加工。干酪作为一种高营养价值的食 品，其方便食用及品种多样等特点使其在全球的销售额占到乳品总销售额的30%。随着人们 生活水平的提高及对干酪营养价值认识的加深，我国的干酪消费处于快速的增长时期。我国干酪产品加工的大环境已经基本成熟，但是生产加工中也遇到了一些问题。 首先，干酪加工过程利用的主要是酪蛋白，绝大多数的乳清蛋白以副产物的形式随着乳清 排出，其加工过程中的热处理过程不可避免的会引起乳清蛋白的变性、聚合甚至沉淀，其中 的某些抑制剂成分也会带来负面的影响，例如，脂肪球膜对乳清蛋白的起泡性起着抑制作 用，只有纯净的、天然的乳清蛋白才能获得良好的功能性质。如何处理乳清并利用乳清生产 出高附加值的乳清产品一直是乳品企业争相研究的内容。其次，原料乳的成分含量随着泌 乳期、气候、饲喂繁殖等多种因素的变化而有一定的差异，若原料乳的蛋白质含量较低，凝 乳较差，损失于乳清中的酪蛋白较高，便会致使干酪的产量降低。因此干酪生产厂商往往需 要对原料乳进行一定的标准化过程，目前的标准化方法主要有脱脂或者加入稀奶油增加 脂肪含量；加入脱脂乳粉增加蛋白质含量。但是额外加入脱脂乳粉存在着这样的弊端脱 脂乳粉中乳糖的含量占总固形物的50%以上，因此，除非将该乳粉稀释后加入原料乳中，否 则干酪中乳糖含量必定有所增加。而如果稀释后再加入则违背了增加产量的初衷。这样， 干酪生产者不得不花较大代价进行加工过程的调整，通过增加干酪的酸度来减少乳糖的含 量，进而避免干酪成熟过程中色泽的变深或者加热过程中的褐变，其操作工序复杂，成本 尚ο因此，采用一定的技术手段来提高原料乳的质量，进而增加干酪产品的均一性，是 当前迫切需要解决的问题。中国专利文献CN2741372公开了一种长保质期鲜奶的加工生产设备，CN1679403 公开了一种长保质期鲜奶及其生产设备，应用梯度膜过滤的方式对原料乳中的体细胞、细 菌等进行截留，提高了原料乳的质量，延长了产品的货架期。这两项发明在一定程度上解 决了原料乳质量的改善问题，但依然没有实现在干酪加工之前分离酪蛋白与乳清蛋白的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对牛奶进行分离以生产酪蛋白和乳清蛋白的方法及 装置。本发明针对现有干酪用乳标准化技术的不足，利用陶瓷膜微滤系统作为连续式料液 处理系统处理原料乳，实现了在干酪加工之前分离酪蛋白与乳清蛋白的目的，所得到的酪 蛋白可直接用于干酪的生产加工或者干酪用乳的标准化过程，解决了干酪用乳标准化的问 题；所得到的纯净、天然的“理想”乳清，营养成分及营养价值没有发生改变，简化了进一步 将其加工成乳清产品的过程。本发明所采用的技术方案对牛奶进行分离以生产酪蛋白和乳清蛋白的方法为 牛奶经过预过滤，然后升温，进行稀奶油的离心分离，所得脱脂乳进行巴氏杀菌，冷却后进 入陶瓷膜微滤系统，根据产品品种选择不同的浓缩因子，截留液富集的是酪蛋白，透过液富 集的是乳清蛋白。更具体的方法为新鲜牛奶经过预过滤，然后升温到55 °C，进行稀奶油的离心分 离，所得脱脂乳升温至72°C，保温15s后进行巴氏杀菌，再冷却至50°C，进入陶瓷膜微滤系 统，其流速为5m/s，跨膜压力为0. 5Bar ；根据不同产品品种对钙含量的要求选择不同的浓 缩因子，截留液富集的是酪蛋白，与离心分离所得稀奶油混合后用于生产干酪，或者用于干 酪用乳的标准化过程；透过液富集的是乳清蛋白，用于加工生产乳清蛋白制品。用前述方法对牛奶进行分离以生产酪蛋白和乳清蛋白的装置，包括换热设备、离 心脱脂设备和巴氏杀菌设备，平衡罐与换热设备一、离心脱脂设备、巴氏杀菌设备、换热设 备二、陶瓷膜微滤系统依次相连接，陶瓷膜微滤系统的两个出口分别连接截留液储罐、透过 液储罐，截留液储罐还经过回流管与陶瓷膜微滤系统相连接。上述换热设备即换热器，所述离心脱脂设备为奶油分离机。前述的陶瓷膜微滤系统为Isoflux均一跨膜压力微滤系统，无机陶瓷膜是以氧化 铝、氧化钛或氧化锆等高温结烧而成的具有多孔结构的精密的陶瓷过滤材料，多孔支撑层、 中间过滤层及膜层(含微滤层、粗糙超滤层、精细超滤层和纳滤层)呈非对称分布。多孔支撑 层的作用是增加膜的机械强度；中间过滤层的孔径比支撑层小，作用是防止膜层制备过程 中的颗粒向多孔支撑层渗透；膜层对物料实现有效的截留。整个陶瓷膜的孔径分布由多孔 支撑层至膜层逐渐减小，形成不对称的分布。其加工特点是在压力的推动下料液平行于膜 面流动，把膜面上的滞留物带走，从而使得膜污染保持一个较低的水平。陶瓷膜各层的厚度 也是从多孔支撑层、中间过滤层到膜层呈梯度逐渐减小，使得透过液的通量沿着膜长的方 向保持均一的跨膜压力，过滤效果更佳。前述陶瓷膜微滤系统中的微滤膜孔径为0. 14ym (膜材为法国海得科膜分离有限 公司的0. 14 μ m陶瓷膜，单只23通道，0. 35m2膜面积，1178mm膜长)。前述的陶瓷膜微滤系统为连续式的料液处理系统(参见附图4)，包括Isoflux陶 瓷膜、供料泵、循环泵、排气阀、流量传感器、压力传感器、温度传感器、控制阀和换热器；还 可包括料液罐和滤液罐。与现有技术相比，本发明分离方法操作简单，可连续生产，清洗方便，得到的酪蛋 白可与稀奶油复配直接用于干酪的加工生产，为干酪用乳的标准化过程提供了新的途径；同时得到的“理想”乳清无菌、无脂、成分均一，容易控制，简化了将其加工成高附加值乳清 产品的过程。
图1是结合装置设备表示的本发明工艺流程框图； 图2是本发明所述陶瓷膜的内部剖视结构图3是本发明所述陶瓷膜的端面结构及局部放大图； 图4是本发明陶瓷膜微滤系统的结构简图； 图5是脱脂乳、透过液、截留液的实物对照图； 图6是透过液的凝胶电泳图片。图中各标号所表示的含义为1 纳滤层；2 精细超滤层；3 粗糙超滤层；4 微滤 层；5 中间过滤层；6 多孔支撑层；7 料液通道；8 支撑体；9 料液罐；10 滤液罐；11 供 料泵；12 循环泵；VO 排气阀；Vl Vll 控制阀；A 换热器；B 陶瓷膜；F 流量传感器； P 压力传感器；τ 温度传感器；R 脱脂乳；Yl 透过液；Y2 截留液；I : β -乳球蛋白；II α-乳白蛋白；III、IV :MF透过液；V 脱脂乳；VI:酪蛋白。
具体实施例方式以下实施方案用于说明本发明，但是不用来限制本发明的范围。新鲜牛奶(细菌总数< 200，000个/ml)在平衡罐内经过预过滤，然后经换热器一 升温到55°C，用奶油分离机进行稀奶油的离心分离，所得脱脂乳升温至72°C，保温15s后进 行巴氏杀菌，再经换热器二冷却至50°C，进入孔径为0. 14 μ m的陶瓷膜微滤系统，流速5m/ s，跨膜压力为0. 5Bar。根据不同干酪品种对钙含量的具体要求，选择不同的浓缩因子，截留 液富集了酪蛋白，透过液富集了乳清蛋白。陶瓷膜微滤系统的工作过程为奶油分离机分离得到的脱脂乳经过巴氏杀菌后换 热，进入陶瓷膜微滤系统的料液罐9，经过供料泵11、循环泵12打入膜过滤系统，换热器A 保温下在膜过滤系统中循环，过滤膜壳外通冷却水以维持料液的过滤温度，截留液再次进 入膜过滤系统进一步循环，透过液收集到滤液罐10中。通过排气阀VO来排除过滤系统内 的空气，通过控制阀门(VI VII)来控制过滤系统内的跨膜压力。生产结束后由料液罐9 的出口阀放出截留液。在上述条件下，选择不同浓缩因子时，通量及截留液成分的变化如表1及表2所 示。与原料脱脂乳相比，截留液(retentate，以下用“R”表示)的成分(总固形物、蛋白质、 酪蛋白/总蛋白、钙)均呈现出按照浓缩因子增加的趋势。0. 14 μ m陶瓷膜微滤过程使得水分、乳糖、α-乳白蛋白、β-乳球蛋白、可溶性矿 物质及非蛋白氮等成分成为透过液。这样，透过液的成分均一，比较容易控制，无脂、无菌、 乳清蛋白以天然的形式存在，可以用来加工生产一系列的乳清蛋白产品。与此同时，截留液 富集了酪蛋白，可与稀奶油混合用于干酪的生产，节省了生产空间。表1不同浓缩因子下通量的比较(50°C)
浓缩因子(CF)24689通量(L/h ·ιη2)93. 2 士 5.571. 5 士 4. 030. 1± 6. 314. 3+ 3. 113. 2 士 3. 1
表2不同浓缩因子下截留液成分的变化
2XR，4XR，6XR，8XR，9XR分别表示浓缩因子为2，4，6，8，9时的截留液。原料脱脂乳、透过液及截留液的实物如图5所示。透过液因乳清蛋白中的核黄素 而呈现出透明清澈的黄绿色状态。图6的凝胶电泳图片证实了 “理想乳清”的蛋白质成分。微滤透过液含有α -乳 白蛋白及乳球蛋白，酪蛋白几乎全部被截留液所截留，其成分较脱脂乳要简单的多。透 过液的成分均一，比较容易控制，无脂、无菌、乳清蛋白以天然的形式存在，可以直接加工生 产乳清浓缩蛋白或者进一步处理生产乳清浓缩蛋白产品，简化了处理步骤，增加了产品的 附加值。本发明的应用效果如下
陶瓷膜微滤系统采用错流过滤的方式，在压力的推动下料液平行于膜面流动，把膜面 上的滞留物带走，从而使得膜污染保持一个较低的水平；同时沿着膜长的方向，膜层的厚度 呈现梯度变化，从而使得透过液的通量沿着膜长的方向保持均一的跨膜压力，过滤效果更佳。陶瓷膜质地坚硬，具有良好的耐热性(500°C)、耐酸碱性(ρΗ 1 14)、清洗方便、 易消毒处理、机械性能好及使用寿命长等优点。其连续运行时间可以达到IOh以上。清洗 过程采用CIP清洗(原位清洗)方式，水通量恢复效果佳。通过严格的实验证明，该陶瓷膜微滤系统能够将酪蛋白和乳清蛋白有效地分离， 截留液对酪蛋白进行了浓缩，与稀奶油复配可直接用于干酪的生产加工过程，简化了干酪 用乳的标准化过程，节约了生产空间，而透过液为“理想”乳清，成分均一，无菌无脂，利于进 一步加工成高附加值的乳清产品。
权利要求
对牛奶进行分离以生产酪蛋白和乳清蛋白的方法，其特征在于牛奶经过预过滤，然后升温，进行稀奶油的离心分离，所得脱脂乳进行巴氏杀菌，冷却后进入陶瓷膜微滤系统，根据产品品种选择不同的浓缩因子，截留液富集的是酪蛋白，透过液富集的是乳清蛋白。
2.按照权利要求1所述对牛奶进行分离以生产酪蛋白和乳清蛋白的方法，其特征在 于新鲜牛奶经过预过滤，然后升温到55°C，进行稀奶油的离心分离，所得脱脂乳升温至 720C，保温15s后进行巴氏杀菌，再冷却至50°C，进入陶瓷膜微滤系统，其流速为5m/s，跨膜 压力为0. 5Bar ；根据不同产品品种对钙含量的要求选择不同的浓缩因子，截留液富集的是 酪蛋白，透过液富集的是乳清蛋白。
3.用权利要求1或2所述方法对牛奶进行分离以生产酪蛋白和乳清蛋白的装置，包括 换热设备、离心脱脂设备和巴氏杀菌设备，其特征在于平衡罐与换热设备一、离心脱脂设 备、巴氏杀菌设备、换热设备二、陶瓷膜微滤系统依次相连接，陶瓷膜微滤系统的两个出口 分别连接截留液储罐、透过液储罐，截留液储罐还经过回流管与陶瓷膜微滤系统相连接。
4.按照权利要求3所述对牛奶进行分离以生产酪蛋白和乳清蛋白的装置，其特征在 于所述换热设备即换热器，所述离心脱脂设备为奶油分离机。
5.按照权利要求3所述对牛奶进行分离以生产酪蛋白和乳清蛋白的装置，其特征在 于所述的陶瓷膜微滤系统为Isoflux均一跨膜压力微滤系统，无机陶瓷膜是以氧化铝、氧 化钛或氧化锆高温结烧而成的具有多孔结构的陶瓷过滤材料，多孔支撑层(6)、中间过滤层 (5)、膜层(4、3、2、1)的孔径依次逐渐减小，呈不对称分布，各层的厚度从多孔支撑层(6)、 中间过滤层(5 )到膜层(4、3、2、1)呈梯度逐渐减小。
6.按照权利要求3-5中任一项所述对牛奶进行分离以生产酪蛋白和乳清蛋白的装置， 其特征在于所述陶瓷膜微滤系统中的微滤膜孔径为0. 14 μ m。
7.按照权利要求3-5中任一项所述对牛奶进行分离以生产酪蛋白和乳清蛋白的装置， 其特征在于所述的陶瓷膜微滤系统为连续式的料液处理系统，包括Isoflux陶瓷膜(B)、 供料泵(11)、循环泵(12)、排气阀(V0)、流量传感器(F)、压力传感器(P)、温度传感器(T)、 控制阀(VI VII)和换热器(A)。
8.按照权利要求7所述对牛奶进行分离以生产酪蛋白和乳清蛋白的装置，其特征在 于所述的陶瓷膜微滤系统还包括料液罐(9)和滤液罐(10)。
全文摘要
本发明公开了一种酪蛋白和乳清蛋白的生产方法及装置，具体的说，是采用陶瓷膜微滤系统对牛奶进行分离以生产酪蛋白和乳清蛋白的方法及装置。所述方法为牛奶经过预过滤，然后升温，进行稀奶油的离心分离，所得脱脂乳进行巴氏杀菌，冷却后进入陶瓷膜微滤系统，根据产品品种选择不同的浓缩因子，截留液富集的是酪蛋白，透过液富集的是乳清蛋白。本发明分离方法操作简单，可连续生产，清洗方便，得到的酪蛋白可与稀奶油复配直接用于干酪的加工生产，为干酪用乳的标准化过程提供了新的途径；同时得到的“理想”乳清无菌、无脂、成分均一，容易控制，简化了将其加工成高附加值乳清产品的过程。
文档编号A23J1/20GK101926408SQ20101011246
公开日2010年12月29日 申请日期2010年2月23日 优先权日2010年2月23日
发明者周伟民, 董晶莹, 陈历俊 申请人:北京三元食品股份有限公司