CN103936798A - 提高乳糖生产的产量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于乳品加工领域，涉及乳糖生产的改良方法。本发明提供了一种提高α乳糖晶体生产的产量的方法，其包括：(a)将乳糖水溶液逐渐冷却至约10℃，(b)从母液中分离所沉淀的第一数量的α-乳糖晶体，(c)向该母液中加入一定量的碳水化合物，使得残余量的乳糖在给定的温度的溶度积被超过，(a4)从该母液中分离所沉淀的第二数量的α-乳糖晶体，以及(a5)将两种数量的α-乳糖晶体合并。本发明的方法提高了乳糖的生产率，具有广泛的实用价值。

Description

提高乳糖生产的产量的方法

技术领域

本发明属于乳品加工领域，涉及乳糖生产的改良方法。

背景技术

乳糖属于二糖类，其由D-半乳糖和D-葡萄糖两个分子组成，这两个分子通过β-1,4-糖苷键连接在一起。

甜度的25%至60%。乳糖为牛奶中的重要成分，具有多种营养生理学优势。例如，乳糖作为人体新陈代谢的能量来源，支持钙的再吸收，阻碍腐败细菌在肠内产生，并且当以较大剂量摄入时具有通便作用。在食品技术中，乳糖主要用于生产乳酸并用作冷冻食品的增稠剂。由于乳糖给食品带来奶油味道，因此其为广泛使用的添加剂。

乳糖为生产蛋白粉过程中的副产品。在该过程中，一般通过超滤从乳清中除去蛋白质，随后对其进行喷雾干燥。

国际专利申请WO2002050089A1（Food Science Australia A）描述了一种乳糖的生产方法，如今已普遍使用该方法。在加工的第一步中，通过逆向渗透（RO）或纳米过滤（NF）对超滤乳清得到的透过物进行浓缩。然后，通过两步法对由此得到的浓缩物进行去矿化处理，即首先使浓缩物与碱土金属盐（一般为氯化钙的水溶液）反应，由此使矿物质沉淀，其为磷酸钙。在第二步沉淀过程中，通过添加低级醇使钙盐的溶解度进一步降低并使另一磷酸盐沉淀。随后通过适当的过滤设备（例如膜、分离器等）分离盐。随后将纯化的乳糖溶液进行真空蒸馏并将该乳糖溶液调整为固体含量按重量计为约65%。

专利US4,202,909也描述了一种获得乳糖的方法，其中，首先对乳清进行超滤，将得到的透过物进行去矿化处理，然后浓缩透过物，再从母液中分离乳糖。具体而言，其描述了可对母液进行去矿化以及再加工以获得额外量的乳糖。GB1575089B公开了类似的内容，其实施例1描述了一种获得乳糖的方法，其中，在第一步中，对乳清进行超滤，对UF透过物进行去矿化处理，浓缩透过物，随后从母液中分离乳糖。

根据现有技术中的方法，一般将母液（其干物质中含有按重量计约90%的乳糖）引至结晶罐，然后进入冷凝器。在引入步骤中加热结晶罐以将乳糖保持在溶液中。温度高于93.5℃出现纯的β-乳糖。在冷却过程中，其定量转化为α乳糖。然而，该转化不是清晰的相变，因为首先经过亚稳相，从该亚稳相中分离α乳糖晶体。在进一步冷却之后，一般出现饱和曲线，使得晶体有足够的时间生长。

结晶过程开始之后，使温度降低至30℃至40℃之间，在该温度下静置液体1至3小时，然后进一步冷却至10℃。整个冷却时间为约20小时。

问题是所述冷却过程重复涉及亚稳相条件，在该亚稳相条件下，可重新形成新晶核，然而，其几乎没有时间生长，因此非常小。由于在分离α乳糖晶体的过程（在滗析器中进行）中不收集直径小于80μm的新形成的微小晶体，因此损失大约17%的乳糖。

此外，在滗析器中搅拌导致晶体被破坏，在该过程中，形成由于粒径小而不能分离的物质。由此损失另外20%的乳糖，最终得到占母液35%至40%的乳糖含量，其需要通过大量工作来进行加工以可得到可接受的产量（就加工的整体情况分析而言）。

明显的是，上述工艺的任何可使母液中乳糖残余量降低的改良可对该工艺的经济性产生相当大的影响。因此本发明的目的在于改良现有生产乳糖的方法以达到上述效果，并将α乳糖的残余量限制为按重量计最大20%，在结晶之后残余的α乳糖与母液一起丢失。

发明内容

本发明的主题为提高α-乳糖晶体生产的产量的方法，其中

(a1)将乳糖水溶液逐渐冷却至约10℃，

(a2)从母液中分离所沉淀的第一数量的α-乳糖晶体，

(a3)向母液中加入一定量的碳水化合物，使得乳糖在给定的温度的溶度积被超过，

(a4)从母液中分离所沉淀的第二数量的α-乳糖晶体，以及

(a5)将两种数量的α-乳糖晶体合并。

通常，在乳糖晶体的分离过程中获得的母液仍然包含按重量计为30%至35%的乳糖。通过增加按重量计高达5%的糖，特别是葡萄糖，乳糖的溶度积会改变，使得仅仅按重量计为约15%至17%的乳糖保留在母液中。

本发明还包括提高α-乳糖晶体生产的产量的第二替代的方法，其中

(b1)向乳糖水溶液中加入一定数量的碳水化合物，使得仍然保留在溶液中的一定数量的乳糖的溶度积被超过，

(b2)将乳糖溶液逐渐冷却至约10℃，

(b3)以及从母液中分离所沉淀的数量的α-乳糖晶体。

在使用本发明相同的构思的实施方式的形式中，碳水化合物直接加入到母液中。这样，避免进行第二次冷却和分离过程，然而，与第一方法实施方式相比，所获得的母液具有稍微较高的、按重量计范围在20%至25%的剩余乳糖含量。

在该过程中丢失碳水化合物；然而，有价值的乳糖的量越多，可超过并替代该丢失的价值。此外，使用较便宜的糖源是可能的，该糖源如甜菜糖蜜，从而进一步改善了该方法的有益效果。

因此本发明的另一主题包括生产α-乳糖晶体的方法，其中

（i）将乳清进行分离，获得富含蛋白的部分和富含乳糖的部分，

（ii）对所述富含乳糖的部分进行去矿化（任选地，在浓缩之后进行），沉淀缓慢溶解的盐，

（iii）冷却经过去矿化的残留物直至乳糖以晶体形式沉淀，任选地，所述冷却在进一步浓缩之后进行，

其特征在于，

(a1)从母液中分离所沉淀的第一数量的α-乳糖晶体，

(a2)向母液中加入一定量的碳水化合物，使得乳糖在给定的温度的溶度积被超过，

(a3)从母液中分离所沉淀的第二数量的α-乳糖晶体，以及

(a4)将两种数量的α-乳糖晶体合并，

或者

(b1)向乳糖水溶液中加入一定数量的碳水化合物，使得保留在溶液中的一定数量的乳糖的溶度积被超过，

(b2)将乳糖溶液逐渐冷却至约10℃，

(b3)以及从母液中分离所沉淀的数量的α-乳糖晶体。

乳糖溶液

乳糖溶液（在本发明的方法中为适于获得α-乳糖晶体的原材料）一般基于乳清获得。为此，首先将乳清分成富含蛋白的部分和富含乳糖的部分。本发明优选的分离方法为超滤（UF），其中进一步加工UF滞留物以获得蛋白质，UF透过物用于获得乳糖。一般而言，UF滞留物含有按重量计约20%的干物质，其中乳糖含量按重量计为约2%，而灰分含量为按重量计约1%。相比之下，进一步加工以生产乳糖的UF透过物含有按重量计约4.5%至5.5%的干物质，其中，乳糖含量为约4.1%至4.6%，灰分含量为约0.3%至0.5%。

任选的但一般优选的步骤为通过将干物质含量从按重量计约10%调节为按重量计30%（对应于10°Brix至30°Brix）浓缩UF透过物。优选地，该步骤通过逆向渗透（RO）或纳米过滤（NF）进行。

UF透过物表现出（如果可以，在浓缩之后）按重量计1%至2%级别的矿物质含量。为了使溶液达到按重量计低于0.3%的规格，首先添加碱将溶液调节至介于6至8之间的接近中性的pH值，将一定量的可溶于水的钙盐溶液（基本为可溶的磷酸盐）加至矿物质中，从而沉淀缓慢溶解的钙盐。为了调节pH值并沉淀NaOH，使用氯化钙和碱金属氢氧化物或氢氧化钙的水性制剂。原则上，诸如KOH之类的碱金属的碱或碱土金属的碱可用于调节pH值。起沉淀作用的盐的性质本身并不重要，例如钡盐可沉淀。然而，使用钙盐具有以下优势：沉淀剂成本合理，并且该盐具有非常低的溶度积，即基本完全沉淀。同时，在不添加沉淀剂的条件下，在搅拌桶中进行去矿化，已证实在该过程中将温度调节为介于约50℃至90℃之间是有利的，优选地，约80℃。沉淀时间一般为介于约20分钟至120分钟之间，优选地，介于约30分钟至45分钟之间，由此，将上述示值理解为仅仅用于参考，因为较低温度需要较长的反应时间，反之亦然。沉淀之后分离盐，例如，在分离器中分离盐，所述分离器利用比重，分离较大比重的沉淀颗粒。然而，还可以在5kDa至150kDa，优选地，10kDa至50kDa范围内的另一超滤过程中例如通过膜过滤器进行分离。

此时，纯化的流体一般含有按重量计15%至20%，优选地，约17.5%的乳糖，而灰分含量已降低至约0.8%。如果期望或要求的话，可随后进行第二去矿化步骤，在该步骤中，向预先纯化的流体中添加一定量的低级醇，尤其是乙醇，以进一步降低其中仍然含有的钙盐的溶度积。由此，可沉淀出另一数量的盐，如有需要，如上述进行分离。

在第二任选的但一般优选的步骤中，去矿化的富含乳糖的流体在离开分离器之后被再次浓缩，由此调节固体含量，所述固体含量与乳糖含量（按重量计约50%至70%，对应于约40°Brix至50°Brix）基本一致。优选地，上述步骤通过真空蒸发进行，在真空蒸发过程中，优选地，产物蒸发至按重量计约65%，并且任选地，通过去矿化步骤分离醇。可将由此得到的乳糖水溶液引至结晶步骤。

碳水化合物

特别适合于显著减少乳糖的溶度积的碳水化合物特别地为单糖和/或二糖，包括醛糖和酮糖两者。典型的示例包括

·丙糖，诸如，例如D-甘油醛和L-甘油醛或二羟基丙酮;

·丁糖，诸如，例如，D-赤藓糖或D-苏糖;

·戊糖，诸如，例如，D-核糖，D-木酮糖和L-木酮糖;

·己糖，诸如，例如，D-葡萄糖，D-甘露糖，D-古洛糖，D-艾杜糖，D-半乳糖，D-葡糖醛酸，D-半乳糖醛酸，N-乙酰基-D-葡糖胺，D-葡糖胺，D-果糖，以及L-鼠李糖;

·葡萄糖基二糖，诸如，例如，纤维二糖，龙胆二糖，异麦芽糖，异麦芽酮糖，乳果糖，昆布二糖，麦芽糖，麦芽酮糖，蜜二糖，新橙皮糖（neohesperidose），新海藻糖，黑曲霉糖，芸香糖，槐糖，蔗糖和海藻糖。

除了D-葡萄糖之外，富含葡萄糖的碳水化合物部分是特别地优选的，因为它们容易获得并且具有成本效益，且同时导致可接受的溶度积的减小，就成本而言以及因为其易获取性，甜菜糖浆和玉米淀粉糖浆是特别优选使用的。

可以将按重量计高达5%的碳水化合物加入乳糖母液中。优选地，所增加的量按重量计为约0.1%至3%，并且特别地为约1%至2%。

工艺流程

在工艺的第一步，将乳糖溶液泵至预热的结晶罐中，所述乳糖溶液可如上所述获得，其含有按重量计占干物质的约60%至95%，优选地，约85%至90%的乳糖。根据所使用的设备，上述步骤可连续进行或分批进行。可将母液的温度调节至93.5℃以上，然后将其装入罐中以防止形成α-乳糖；然而，这并不是必须的。还可使用其中β-乳糖已经开始转化为α-乳糖的母液。在所述罐中，将溶液冷却至介于62℃至67℃之间，优选地，介于63℃至65℃之间。由此，足以使热的乳糖溶液适应结晶罐的初始温度，该适应过程一般在1小时至2小时的时间段内。

随后，以约1至5°K/小时的速率使乳糖溶液持续冷却至介于约20℃至30℃之间，优选地，介于约23℃至26℃之间的温度，并在该温度下保持约0.5至5小时，优选地，约1至3小时。随后以约1至3°K/小时的速率在介于约1至3小时之间的时间段内将溶液冷却至约10℃。随着晶体分离的开始，将溶液在该温度下保持约12小时至15小时。实施冷却过程的总时间可设定为约18小时至24小时，优选地，约20小时。随后，从母液中分离乳糖晶体，优选地，所述分离通过根据离心原理工作的滗析器进行。原则上，可进行固体/液体分离的任何其它设备适于该步骤。这包括，例如，基于膜的分离器。接下来，温和干燥仍然附着有母液的乳糖晶体，尤其是通过带式干燥器干燥，已证实所述带式干燥器尤其适用。

具体实施方式

对比实施例V1

没有添加碳水化合物

将温度为约95℃、按重量计占干物质的89.5%的乳糖的第一乳糖母液放进预热的结晶罐中，在结晶罐中以约3°K/小时的速率在约1小时内将其冷却至65℃，并保持在该温度下不超过1小时，然后以约8°K/小时的速率在约4小时内将溶液冷却至35℃。再将溶液保持在该温度下持续3小时，然后以约4°K/小时的速率在6小时内将溶液冷却至10℃。在启动晶体分离的条件下，在该温度下保持溶液约15小时，在滗析器中分离沉淀的α-乳糖晶体，并在带式干燥器上除去所有附着水分。剩余的第二母液中具有残余量为按重量计34.7%的乳糖。

实施例1至5

添加按重量计介于0.1%至5%之间的葡萄糖

将按重量计介于0.1%至5%之间的葡萄糖添加到实施例V1的第二母液中。将溶液均质化，并接着如上所述再进行冷却，且将通过减小溶度积而获得的额外数量的乳糖晶体分离。表1表示根据所添加的葡萄糖的量而获得的第三母液中的乳糖的残余量。

表1

在最后的母液中，乳糖的残余量（按重量计%）

实施例	葡萄糖的量	母液中乳糖的残余量
			V1	0	34.7
1	0.1	30.5
			2	0.5	28.1
3	1.0	22.4
			4	2.0	15.3
5	5.0	15.2

实施例6至10

添加按重量计为2%的碳水化合物

将按重量计为2%的不同的碳水化合物添加到实施例V1的第二母液中。将溶液均质化，并接着如上所述再进行冷却，且将通过减小溶度积而获得的额外数量的乳糖晶体分离。表2表示根据所添加的碳水化合物的量而获得的第三母液中的乳糖的残余量。

表2

在最后的母液中，乳糖的残余量（按重量计%）

实施例	碳水化合物	母液中乳糖的残余量
			V1	无	34.7
6	葡萄糖	15.3
			7	蔗糖	16.4
8	糖蜜（Molasses）	16.3
			9	甜菜糖浆	17.1
10	玉米淀粉糖浆	17.5

实施例10至15

向第一母液中添加碳水化合物

将按重量计为2%的碳水化合物加入按重量计占干物质的89.5%的乳糖的第一乳糖母液中，均质化并放进（在温度为约95℃下）预热的结晶罐中，在结晶罐中以约3°K/小时的速率在约1小时内将其冷却至65℃，并保持在该温度下不超过1小时，然后以约7°K/小时的速率在约7小时内将溶液冷却至25℃。再将溶液保持在该温度下持续3小时，然后以约1°K/小时的速率在1小时内将溶液冷却至10℃。在启动晶体分离的条件下，在该温度下保持溶液约15小时，在滗析器中分离沉淀的α-乳糖晶体，并在带式干燥器上除去所有附着水分。表3表示根据所添加的碳水化合物的类型而获得的第二母液中的乳糖的残余量。

表3

在最后的母液中，乳糖的残余量（按重量计%）

实施例	碳水化合物	母液中乳糖的残余量
			V1	无	34.7
11	葡萄糖	21.4
			12	蔗糖	22.3
13	糖蜜（Molasses）	23.7
			14	甜菜糖浆	23.5
15	玉米淀粉糖浆	23.8

Claims (11)

1.一种提高α乳糖晶体生产的产量的方法，其中

(a1)将乳糖水溶液逐渐冷却至约10℃，

(a2)从母液中分离所沉淀的第一数量的α-乳糖晶体，

(a3)向该母液中加入一定量的碳水化合物，使得仍残留在溶液中的残余量的乳糖的溶度积被超过，

(a4)从该母液中分离所沉淀的第二数量的α-乳糖晶体，以及

(a5)将两种数量的α-乳糖晶体合并。

2.一种提高α乳糖晶体生产中的产量的方法，其中

(b1)向乳糖水溶液中加入一定数量的碳水化合物，使得仍然保留在溶液中的残余量的乳糖的溶度积被超过，

(b2)将乳糖溶液逐渐冷却至约10℃，以及

(b3)从该母液中分离所沉淀的数量的α-乳糖晶体。

3.如权利要求1和2中所述的方法，其特征在于，使用单糖或者二糖作为碳水化合物。

4.如权利要求1至3中至少一项所述的方法，其特征在于，所使用的单糖或者二糖选自由丙糖、丁糖、戊糖、己糖和/或基于葡萄糖的二糖类组成的组。

5.如权利要求1至4中至少一项所述的方法，其特征在于，使用葡萄糖或富含葡萄糖的碳水化合物部分。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，使用甜菜糖浆或玉米淀粉糖浆。

7.如权利要求1至6中至少一项所述的方法，其特征在于，将按重量计高达5%的碳水化合物加入到该母液中。

8.如权利要求1至7中至少一项所述的方法，其特征在于，将按重量计为0.1%至3%的碳水化合物加入到该母液中。

9.如权利要求1至8中至少一项所述的方法，其特征在于，所述α乳糖晶体通过滗析器分离。

10.如权利要求1至8中至少一项所述的方法，其特征在于，分离的所述α乳糖晶体通过带式干燥器蒸发。

11.一种生产α-乳糖晶体的方法，其中

（i）将乳清进行分离，获得富含蛋白的部分和富含乳糖的部分，

（ii）对所述富含乳糖的部分进行去矿化，沉淀缓慢溶解的盐，所述去矿化任选地在浓缩之后进行，

（iii）冷却经过去矿化的残留物直至乳糖以晶体形式沉淀，任选地，所述冷却在进一步浓缩之后进行，

其特征在于，

(a1)从母液中分离所沉淀的第一数量的α-乳糖晶体，

(a2)向母液中加入一定量的碳水化合物，使得该乳糖在给定的温度的溶度积被超过，

(a3)从母液中分离所沉淀的第二数量的α-乳糖晶体，以及

(a4)将两种数量的α-乳糖晶体合并，

或者

(b1)向乳糖水溶液中加入一定数量的碳水化合物，使得保留在溶液中的一定数量的乳糖的溶度积被超过，

(b2)将该乳糖溶液逐渐冷却至约10℃，以及

(b3)从该母液中分离所沉淀的数量的α-乳糖晶体。