CN102870952A - 一种由乳清同时制备乳清蛋白粉和乳糖粉的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于乳制品的生产技术，具体涉及一种由乳清同时制备乳清蛋白粉和乳糖粉的方法。主要步骤为：（1）初步超滤：将乳清液通过截留分子量为5000～10000Da的超滤膜；（2）补水超滤：在膜通量下降到初始膜通量的60%～80%时，向浓缩液中连续补加2～5倍浓缩液体积的去离子水，获得透过液和浓缩液；（3）制乳清蛋白粉：超滤得到的浓缩液，干燥，得到乳清蛋白粉（WPC）；（4）精制乳糖粉：超滤透过液经蒸发浓缩，加入食品级乙醇至最终体积分数为40～60%，收集沉淀，洗涤，干燥，即为乳糖。本发明以超滤为主要分离方法，同时制得高蛋白含量的乳清蛋白粉和高纯度的乳糖粉，整个过程只添加去离子水和食品级乙醇，不添加额外盐分及酸碱等物质。
Description
技术领域
本发明涉及一种由乳清液制备乳清蛋白粉和乳糖粉的方法，属于乳品加工领域。
背景技术
牛奶分离出酪蛋白制备奶酪后，剩余溶液即为乳清液。乳清液作为副产物，其水含量高，运输不便，经常通过喷雾干燥等方法制成甜乳清粉。甜乳清粉中主要含有乳糖（约70%）和乳清蛋白（约10%）。
乳糖是哺乳动物乳腺分泌的一种二糖，由一个葡萄糖和一个半乳糖缩合而成，有α和β两种构象。乳糖产品基本都从乳清中提取，可以用于婴儿食品、糖果、人造牛奶等，医学上常用作矫味剂。由于我国居民中乳糖不耐受的发生率较高，因此通常需要将乳糖从乳品中分离出来。
乳清蛋白在牛奶中的含量仅为0.7%，含有人体所需的全部8种必需氨基酸，且各氨基酸的比例恰当，几乎与骨骼肌中氨基酸的组成比例完全一致，极易被人体利用，是最佳的蛋白质来源，能满足不同群体和不同年龄段人群对健康和营养的需求。牛乳清蛋白的功能性成分主要为β-乳球蛋白（β-Lg）、α-乳白蛋白（α-La）、牛血清白蛋白（BSA）、免疫球蛋白（IgG），以及乳铁蛋白（Lf）、乳过氧化酶、生长因子和许多生物活性因子及酶，这些物质均具有一定的生物活性，尤其适合于婴幼儿食品。
从价格相对低廉的甜乳清粉中分离乳清蛋白和乳糖，特别是浓缩乳清蛋白（WPC），作为婴儿乳品的活性添加剂，具有良好的市场前景。
中国专利CN 101926408 A采用微滤将牛奶简单分成富含酪蛋白的浓缩液和成分均一的乳清透过液，简化了干酪用乳的标准化过程，然而未对乳清产品进行进一步的加工。
中国专利CN 1606917 A公开了一种"从牛奶中提取乳清蛋白及分离乳清蛋白中不同活性成分的方法"，其主要步骤为：首先在牛奶中添加15-25%体积的无水乙醇，搅拌均匀，静置30-60 分钟后过滤去除沉淀，然后在滤液中添加无水乙醇，使乙醇含量达到35%，继续添加无水乙醇直至乙醇含量逐渐达到55%，搅拌均匀，静置30-60分钟后，3000-5000rpm离心，倒出上清液，所得沉淀即为乳清蛋白。
中国专利CN 101367864 A中采用疏水作用层析和凝胶过滤层析分离乳清蛋白，层析过程中引入了硫酸铵、磷酸盐缓冲液等阴阳离子，产生的废液需处理后排放，分离介质昂贵，制备成本较高。
中国专利CN 101731446 A中，以牛奶为原料制备乳清蛋白粉，先将牛奶通过0.1 μm的膜微滤，透过液再经超滤，浓缩液即为乳清蛋白液，并未提及超滤膜的截留分子量和产品中蛋白质的含量。
中国专利CN 101822309 A公开了一种采用中空纤维膜超滤生产乳清蛋白及其制品的生产方法，其产品中蛋白含量仅为15% ± 0.5%，无法达到浓缩乳清蛋白WPC 70（蛋白含量≥70%）和WPC 80（蛋白含量≥80%）的标准要求。
中国专利CN 101491287 A中公开了一种同时分离乳清蛋白和乳糖的方法，其步骤如下：先用网筛过滤器除去乳清中的奶酪颗粒，然后浓缩乳清，冷却结晶并离心分离得到乳糖；离心的清液经微滤，超滤和纳滤后得到乳清蛋白液，再浓缩、喷雾干燥后得蛋白粉。未公开蛋白含量，且整个过程步骤较多，耗时较长。
在现有专利公开的制备方法中，最终产品乳清蛋白中蛋白含量普遍较低，一般达不到浓缩乳清蛋白WPC的相关标准，不适用于婴儿食品等的添加。本专利通过在超滤中增加补水这一简单的操作流程，可以将蛋白含量提高至70%以上，同时避免了微滤、纳滤等操作，流程简便、产品质量好、生产成本低。本发明还提出了乙醇沉淀分离乳糖的新工艺，减少了传统乳糖提取过程中的热能损耗，并可同时制得高含量的乳糖产品。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种简便、收率高、成本较低的由乳清同时制备乳清蛋白粉和乳糖粉的方法。
由乳清同时制备乳清蛋白粉和乳糖粉的方法包括以下步骤：
（1）初步超滤：乳清液在超滤器中浓缩至超滤膜的膜通量下降到初始膜通量的60%～80%；
（2）补水洗滤：向浓缩液中连续或间歇加入2～5倍浓缩液体积的去离子水，洗滤，得到浓缩液和透过液；
（3）制乳清蛋白粉：将浓缩液，即浓缩乳清蛋白溶液，直接通过冷冻干燥、喷雾干燥或真空干燥得到蛋白质质量百分含量为70%～85%的乳清蛋白粉；
（4）精制乳糖粉：透过液蒸发浓缩，加入浓缩后体积的0.6～1.5倍的食品级乙醇，使乳糖沉淀，再经冷水和食品级乙醇洗涤，干燥，得到纯度>95%的乳糖粉。
所述的乳清液为液态乳清液，或者甜乳清粉加水溶解而成的乳清溶液。所述的超滤器中采用的超滤膜为超滤膜包或中空纤维膜柱，截留分子量为5000～10000 Da。所述步骤（4）中蒸发浓缩为减压蒸发、单效蒸发或双效蒸发。所述步骤（4）中干燥采用半沸腾床式干燥机或气流干燥机。
本发明的有益效果如下：
（1）超滤操作条件温和，避免了乳清蛋白的变性，提高蛋白的回收率；
（2）超滤过程工艺简单，不添加无机盐和其它加重环境污染的物质。
（3）超滤浓缩过程中，膜通量降低可分成三个阶段：由于溶剂中的细菌和微量胶体堵塞膜孔导致膜通量降低至初始膜通量的90%左右；之后因为浓差极化层的形成，膜通量降至初始的60%-80%；随着超滤继续进行，膜孔道堵塞并在膜表面形成凝胶层，污染严重时，膜通量仅为初始膜通量的20%以下。在第二阶段转至第三阶段时（膜通量降至初始膜通量的60%-80%），开始补水，不仅可以使补水量最小，减少后续浓缩的处理量；还能提高超滤的整体速度和效率；同时有效延长超滤膜的使用寿命。不同膜出现转折点（即超滤速度明显下降的点）的时间与操作条件和膜特性有关，需分别考察。
（4）乳糖精制过程中，采用乙醇沉淀法取代常用的结晶法，降低能耗，提高了分离速度。洗涤乳糖用预冷水代替酸性水，降低影响产品质量的风险和减轻污水处理量。分离和洗涤乳糖过程中使用的食品级乙醇可以回收利用。
附图说明
图1是本发明中浓缩乳清蛋白和乳糖的分离工艺流程图；
图2是实施例1和实施例2制备的浓缩乳清蛋白粉WPC 70（蛋白质含量>70%）和WPC 80（蛋白质含量>80%）的凝胶电泳图片；
图3是实施例1和实施例2制备的浓缩乳清蛋白粉WPC 70和WPC 80的高效液相谱图，图中A为WPC 70，B为WPC80。
具体实施方式
由乳清同时制备乳清蛋白粉和乳糖粉的方法包括以下步骤：
（1）初步超滤：乳清液在超滤器中浓缩至超滤膜的膜通量下降到初始膜通量的60%～80%；
（2）补水洗滤：向浓缩液中连续或间歇加入2～5倍浓缩液体积的去离子水，洗滤，得到浓缩液和透过液；
（3）制乳清蛋白粉：将浓缩液，即浓缩乳清蛋白溶液，直接通过冷冻干燥、喷雾干燥或真空干燥得到蛋白质质量百分含量为70%～85%的乳清蛋白粉；
（4）精制乳糖粉：透过液蒸发浓缩，加入浓缩后体积的0.6～1.5倍的食品级乙醇，使乳糖沉淀，再经冷水和食品级乙醇洗涤，干燥，得到纯度>95%的乳糖粉。
所述的乳清液为液态乳清液，或者甜乳清粉加水溶解而成的乳清溶液。所述的超滤器中采用的超滤膜为超滤膜包或中空纤维膜柱，截留分子量为5000～10000 Da。所述步骤（4）中蒸发浓缩为减压蒸发、单效蒸发或双效蒸发。所述步骤（4）中干燥采用半沸腾床式干燥机或气流干燥机。
实施例1（从甜乳清粉中制备乳清蛋白粉WPC 70和乳糖）
称取182.9 g甜乳清粉，加水溶解至2 L，采用截留分子量为10000 Da，膜面积为0.11 m2的聚醚砜膜超滤，跨膜压力0.24 MPa，膜面流速36 L/h，超滤至膜通量为初始膜通量的80%，剩余浓缩液约为170 mL，开始连续补水，补水速度大致等于超滤速度，维持浓缩液体积基本不变。共加入2.6倍浓缩液体积（约450mL）的去离子水，得到2425 mL透过液和180 mL浓缩液。
将超滤浓缩液直接冷冻干燥，得到淡黄色乳清蛋白粉20.49 g，蛋白含量（以干重计）为73.57%，乳糖含量为8.45%，脂肪5.01%，水分6.31%，灰分4.94%，主要金属离子含量为：钾733.5 mg/100g、钠357.1 mg/100g、钙1022 mg/100g、镁86.5 mg/100g、铜1.82 mg/100g、锌1.67 mg/100g、锰0.13 mg/100g、铁4.56 mg/100g，符合浓缩乳清蛋白WPC 70的相关标准（水分≤5.0%、脂肪≤18.0%、干基蛋白质≥70%、灰分＜5%、乳糖≥2%）。
超滤透过液经90 °C加热30 min后，抽滤，滤过液经旋转蒸发浓缩至200 mL，冷却至室温，加入食品级乙醇150 mL（最终体积分数约43%），抽滤，沉淀用200 mL预冷水洗涤，再用300 mL食品级乙醇洗涤，最后60 °C烘箱干燥12 h，得到乳糖粉95.55 g。乳糖粉的乳糖含量为96.9%，蛋白含量为1.31%，脂肪未检测出，水分1.35%，灰分1.27%，主要金属离子含量为：钾109.9 mg/100g、钠32.2 mg/100g、钙301.8 mg/100g、镁25.9 mg/100g、铜0.15 mg/100g、锌0.12 mg/100g、锰0.01 mg/100g、铁1.15 mg/100g。
实施例2（从乳清粉中提取浓缩乳清蛋白WPC 80）
称取180.6 g甜乳清粉，定容至2 L。洗滤操作条件大致同实施例1，只是超滤至膜通量为初始膜通量的60%时，剩余浓缩液约为170 mL，开始补水约1500 mL（约浓缩液体积的5倍），最终得到了3285 mL透过液和170 mL浓缩液。
将超滤浓缩液冷冻干燥，得到淡黄色乳清蛋白粉14.89 g，蛋白含量（以干重计）为81.74%，乳糖含量为1.97%，脂肪4.23%，水分7.02%，灰分3.85%，主要金属离子含量为：钾470.4 mg/100g、钠233.6 mg/100g、钙1117 mg/100g、镁86.0 mg/100g、铜1.32 mg/100g、锌1.10 mg/100g、锰0.09 mg/100g、铁5.11 mg/100g，符合浓缩乳清蛋白WPC 80的相关标准（水分≤5.5%、脂肪≤8.0%、干基蛋白质≥80%、灰分≤5%、乳糖≤9%）。 实施例3（从超滤透过液中提取乳糖）
以实施例2中的超滤透过液3285 mL为原料，提取乳糖，具体操作大致同实施例1，只是透过液未经加热，过滤，直接旋转蒸发浓缩至终体积为250 mL，沉淀乳糖所用食品级乙醇体积为380 mL（最终体积分数约60%），洗涤用预冷水增加至300 mL，最终得到白色乳糖粉75.04 g，乳糖含量为97.6%，蛋白含量为0.38%，脂肪未检测出，水分0.59%。由于增加了洗涤用水，乳糖成色比实施例1中的更好，颜色更白。
实施例4（不补水超滤分离乳糖）
用去离子水配制10 g/L甜乳清粉溶液150 mL，于millipore超滤杯中，通过截留分子量为5000 Da的再生纤维素膜，在0.2 MPa氮气下超滤，超滤过程未加水。测定原料液、浓缩液和透过液中乳糖浓度分别为7.60 g/L、7.53 g/L、7.60 g/L。由于乳糖分子足够小，可以自由穿梭膜孔，其穿过膜孔的方式为自由扩散，驱动力为浓度差，所以在不补水的情况下，超滤无法从原料中分离乳糖。
实施例5（间歇补水超滤分离乳糖）
用去离子水配制90 g/L甜乳清粉溶液50 mL，于millipore超滤杯中，通过10000 Da膜，在0.2 MPa氮气下超滤60 min后，浓缩剩余19.7 mL，按照1:2（浓缩液：补加水量）的比例，一次性补加去离子水39.4 mL；继续超滤65 min，浓缩液体积为15.0 mL，按照1:3的比例加水；47 min后，浓缩液为11.0 mL，按照1:4加水；继续超滤40 min。四个阶段的浓缩液和渗透液分别取样测乳糖浓度，结果如表1
表1间歇补水各阶段浓缩液和透过液中乳糖浓度
理论上乳糖的稀释率=加水量：（加水量+浓缩液），但实际测得稀释率略小于理论值。原因可能是：加水时，超滤杯的出水管还残留有部分上一阶段的透过液，该浓度远大于稀释后的浓缩液。相对于间歇洗滤，达到同样的分离效果，连续洗滤用水量更少，效率更高。
Claims (5)
1.一种由乳清同时制备乳清蛋白粉和乳糖粉的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）初步超滤：乳清液在超滤器中浓缩至超滤膜的膜通量下降到初始膜通量的60%～80%；
（2）补水洗滤：向浓缩液中连续或间歇加入2～5倍浓缩液体积的去离子水，洗滤，得到浓缩液和透过液；
（3）制乳清蛋白粉：将浓缩液，即浓缩乳清蛋白溶液，直接通过冷冻干燥、喷雾干燥或真空干燥得到蛋白质质量百分含量为70%～85%的乳清蛋白粉；
（4）精制乳糖粉：透过液蒸发浓缩，加入浓缩后体积的0.6～1.5倍的食品级乙醇，使乳糖沉淀，再经冷水和食品级乙醇洗涤，干燥，得到纯度>95%的乳糖粉。
2.根据权利要求1所述的一种由乳清同时制备乳清蛋白和乳糖的方法，其特征在于：所述的乳清液为液态乳清液，或者甜乳清粉加水溶解而成的乳清溶液。
3.根据权利要求1所述的一种由乳清同时制备乳清蛋白和乳糖的方法，其特征在于：所述的超滤器中采用的超滤膜为超滤膜包或中空纤维膜柱，截留分子量为5000～10000 Da。
4.根据权利要求1所述的由乳清同时制备乳清蛋白和乳糖的简便方法，其特征在于：所述步骤（4）中蒸发浓缩为减压蒸发、单效蒸发或双效蒸发。
5.根据权利要求1所述的由乳清同时制备乳清蛋白和乳糖的简便方法，其特征在于：所述步骤（4）中干燥采用半沸腾床式干燥机或气流干燥机。
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