CN104920615A - 无乳糖乳制品 - Google Patents

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Abstract

提出了一种用于生产无乳糖乳制品的方法，其中(a)使脱脂乳进行超滤或渗滤与超滤的结合，(b)将无乳糖渗余物R1导入储罐并将含乳糖滤液P1导入酶反应器，(c)向滤液P1中加入使其中所含乳糖进行酶降解的充分用量的乳糖酶，(d)将由此得到的反应混合物进行纳滤，(e)将无乳糖滤液P2运入储罐并与无乳糖渗余物R2混合，以及(f)将仍含有未转化乳糖和酶的渗余物R2再次导回酶反应器。

Description

无乳糖乳制品
技术领域
本发明属于乳品工业领域并涉及一种用于生产低乳糖或无乳糖产品的新方法以及一种相应的设备。
背景技术
新出生的哺乳动物在其哺乳期产生乳糖酶，将双糖乳糖降解为可在新陈代谢中利用的糖类D-半乳糖和D-葡萄糖。在自然戒断母乳的过程中乳糖酶的活性降低至出生时活性的约5-10％。这适用于人类和所有其他哺乳动物。突变仅在长久以来从事乳品生产的人群中产生，使得在成年人体内仍能产生足够的乳糖酶(乳糖耐受)。这可能是由于较高的乳糖酶活性为该族群提供选择优势(矿物质，营养价值)。
在缺乏乳糖酶活性的情况下，未降解的乳糖进入人体大肠中，并在大肠中被肠道菌群吸收并发酵。作为发酵产物产生乳酸以及甲烷和水。这些气体导致腹胀，渗透活性的乳酸导致水分流入大肠(渗透性腹泻)。
在亚洲和非洲大多数成年居民(90％或更多)缺乏乳糖耐受性，即乳糖不耐，在西欧，澳大利亚和北美(在白色人种中)为5-15％。在德国根据评估总人口的15-25％为乳糖不耐。乳糖不耐的原因是先天的酶缺乏，即缺少将乳糖分裂并降解为其单体的相应酶。最近几年至少已经意识到所述症状与乳糖，特别是乳制品中乳糖的存在之间的关系。因此导致对低乳糖或更好地无乳糖产品的大量需求。
现有技术中已知大量不同的方法，借助这些方法可以将乳糖由乳产品分离并作为副产品继续加工，或通过加入相应酶降解乳糖。
例如在EP 0208706 A1(VALIO)中记载了通过超滤将乳糖由脱脂乳去除的方法。
EP 226035 A1(VALIO)的主题是一种方法，其借助离子交换色谱法将乳糖由乳品移除。
在WO 2008 000895 A1(VALIO)中建议使用乳糖酶处理乳品并由此使其部分水解，随后通过热处理使酶失活，最后通过酸化消灭未转化的乳糖。
由EP 1503630 B1(VALIO)已知另外一种方法：将乳品进行超滤，得到的滤液进行纳滤，由此得到的滤液通过反渗透浓缩并随后使用乳糖酶处理。在足够长的保留时间后将该低乳糖产品与渗余物混合并继续加工。
然而现有技术方法的共同问题在于，为了保证尽可能完全的乳糖降解所需的长的保留时间，以及酶在产品中残留的情况。
因此本发明的目的在于，提供一种用于生产无乳糖乳制品的方法，其可靠的克服了所述现有技术的缺陷并且尤其是能够在明显更短的反应时间内提供无乳糖乳制品，并且该无乳糖乳制品不再含有酶。
发明内容
本发明的主题是一种用于生产无乳糖乳制品的方法，其中
(a)使脱脂乳进行超滤或渗滤与超滤的结合，
(b)将无乳糖渗余物R1导入储罐并将含乳糖滤液P1导入酶反应器，
(c)向滤液P1中加入使其中所含乳糖进行酶降解的充分用量的乳糖酶，
(d)将由此得到的反应混合物进行纳滤，
(e)将无乳糖滤液P2运入储罐并与无乳糖渗余物R2混合，以及
(f)将仍含有未转化乳糖和酶的渗余物R2再次导回酶反应器。
令人惊讶地发现，借助所述措施，特别是未反应乳糖和酶的导回，用于生产无乳糖产品的乳品吞吐量大幅提高。该方法被设计为，不仅使非连续操作，甚至也使连续操作成为可能。产品不含乳糖，或基本不含乳糖，即乳糖含量低于0.1重量％。此外在最终产品中不存在酶或酶分解产物。另一方面这也说明活性酶没有损失。在酶反应器中仅需要替换实际上失活的酶量。很明显通过这种措施本方法的利益率大幅增高。
过滤方法
方法第一步是使脱脂乳进行超滤或是渗滤与超滤的结合，并使之分为滤液P1和渗余物R1。滤液P1含有乳糖并在酶反应器中使用乳糖酶处理。使反应混合物循环通过纳滤设备，由系统排出无乳糖滤液P2并将含有仍未反应的乳糖以及乳糖酶的渗余物R2导回反应器。因此根据本发明的方法的核心因素是使用不同分离度的膜的过滤步骤。
超滤和纳滤是膜技术领域的过滤方法，可用于将大分子物质和小的颗粒由介质分离并浓缩。微滤、超滤和纳滤的区别在于分离度。如果排除极限(exclusion limit，或截止(cut-off))为100nm或更大，为微滤。如果排除极限介于2-100nm之间，则被视为超滤。纳滤的排除极限小于2nm。所有这种情况均涉及纯物理，即机械膜分离方法，其根据机械体积排阻原则工作：液体中所有比膜孔大的颗粒被膜截留。在两种分离方法中驱动力是膜表面液入侧和液出侧之间的压力差，介于0.1至40bar之间。
超滤膜的排除极限也以NMWC(英文：Nominal Molecular Weight Cut-Off(标称截留分子量)，以及MWCO，Molecular Weight Cut Off(截留分子量)，单位：达尔顿)的形式给出。它被定义为被膜截留90％的球形分子的最小分子量。在实践中NMWC至少比待分离分子的分子量小20％。其他关于过滤的定性说明可参考通量(Flux) (水当量)(跨膜流和渗透率)。在理想情况下其与跨膜压力成正比，而与膜阻成反比。这些参数不仅可以由所使用膜的性能，而且可通过浓度极化以及可能出现的结垢确定。渗透率基于1m2过滤表面。其单位为l/(m2h bar)。
被证明对于超滤特别适合的膜具备孔径为约1000至约50000的范围内，并优选约5000至约25000达尔顿。纳滤优选孔径在100至5000并特别优选约500至约2000达尔顿的范围内。
过滤表面的材料—对于超滤和纳滤的情况—可以是不锈钢、聚合材料、陶瓷、氧化铝、或纺织品。过滤元件有各种表现形式：烛形过滤器、平板膜、螺旋膜、袋滤器和中空纤维组件，对本发明来说这些材料都是合适的。然而优选使用由聚合材料制成的螺旋膜或者由陶瓷或氧化铝制成的烛形过滤器，已经证明第一种实施方案特别优选用于超滤而第二种特别优选用于纳滤。
对本发明来说超滤和纳滤都可以在“热”或“冷”，即在约4至约55℃的温度范围内进行。然而优选的是在约5至约20℃(超滤)，或20至30℃(纳滤)的低温范围内工作。
水解
超滤用于产生含乳糖和无乳糖产品流。前者进行水解，后者暂时储存于罐中。
乳糖属于二糖类并由D-半乳糖和D-葡萄糖两个分子组成，它们通过β-1,4-糖苷键相连。 
为了使乳糖降解为这两种糖成分，使用乳糖酶(也被称为LPH或LCT)处理乳糖。水解优选在搅拌罐中进行，该罐配有连续进料和出料，以及用于加入酶的配料装置和一个位于反应器底部的阀门，用于泄出随时间沉淀的失活酶。已经证明有利的是，每千克待水解乳糖使用有效酶浓度为约180000至250000FCC-units的乳糖酶，并且反应在约23至约27℃的温度范围内以及pH值约为5至6的轻微酸性下进行。
如上所述，反应器与一个NF-单元相连，从而使全部反应混合物连续地循环通过膜。由滤液侧排出无乳糖溶液，其随后被导入储罐并与由UF-单元导出的渗余物混合，而渗余物被导回反应器。以这种方式不会损失酶，仅仅必须连续或分批地供应损耗的催化剂，从而保证尽可能均匀的酶浓度。失活酶在过程中沉至底部并可以随后在进程的短暂中止中，通过底部阀门泄出。
工业应用
本发明的另一个主题涉及一种用于生产无乳糖乳制品的设备，包括：
(a)一个超滤单元UF，
(b)一个储存和混合容器M，
(c)一个搅拌反应器R，以及
(d)一个纳滤单元NF，
其中
(i)UF-单元的渗余物侧与储存和混合容器相连，并且其滤液侧与搅拌反应器相连，
(ii)搅拌反应器与NF-单元相连，以及
(iii)NF-单元的渗余物侧与储存和混合容器相连，并且其滤液侧以成循环的形式再次与搅拌反应器相连。
附图说明
图1是根据本发明的方法和设备的流程图。方法和设备随后通过附图1进一步解释。附图标记对应于上文使用的标记。
具体实施方式
实施例1
将脱脂乳冷却至15℃并以100l/h的速度连续通过配有螺旋膜(分离限值20000达尔顿)的UF-设备。在此得到的渗余物R1被导入收集混合容器，而含乳糖的滤液P1被泵入连续操作的容积为100l的搅拌容器，并与一定量的乳糖酶混合，使得浓度达到200000FCCunits/kg乳糖。将混合物调至pH＝6并在25℃下循环通过NF-设备(陶瓷膜，分离限值1000达尔顿)。在此无乳糖滤液P1被导入混合容器并与渗余物R1混合。含有未反应乳糖以及酶的渗余物R2被再次导回酶反应器。收集容器中的最终产物，其乳糖浓度低于0.1重量％并且不含有酶和酶分解产物。
实施例2
在30℃温度下，脱脂乳以120l/h的速度连续通过配有螺旋膜(分离限值15.000达尔顿)的UF-设备。在此得到的渗余物R1被导入收集混合容器，而含乳糖的滤液P1被泵入连续操作的容积为100l的搅拌容器，并与一定量的乳糖酶混合，使得浓度达到200000FCC units/kg乳糖。将混合物调至pH＝6并在25℃下循环通过NF-设备(陶瓷膜，分离限值1.000达尔顿)。在此无乳糖滤液P1被导入混合容器并与渗余物R1混合。含有未反应乳糖以及酶的渗余物R2被再次导回酶反应器。收集容器中的最终产物，其乳糖浓度低于0.1重量％并且不含有酶和酶分解产物。

Claims (12)

1.用于生产无乳糖乳制品的方法，其中
(a)使脱脂乳进行超滤或渗滤与超滤的结合，
(b)将无乳糖渗余物R1导入储罐并将含乳糖滤液P1导入酶反应器，
(c)向滤液P1中加入使其中所含乳糖进行酶降解的充分用量的乳糖酶，
(d)将由此得到的反应混合物进行纳滤，
(e)将无乳糖滤液P2运入储罐并与无乳糖渗余物R2混合，以及
(f)将仍含有未转化乳糖和酶的渗余物R2再次导回酶反应器。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于，可以连续或不连续的进行。
3.权利要求1和/或2所述的方法，其特征在于，脱脂乳的超滤借助由不锈钢、聚合材料、陶瓷、氧化铝或纺织品制得的膜进行。
4.权利要求1至3中至少一项所述的方法，其特征在于，脱脂乳的超滤使用孔径为约1000至约50000达尔顿的膜进行。
5.权利要求1至4中至少一项所述的方法，其特征在于，脱脂乳的超滤在温度为4至55℃的范围内进行。
6.权利要求1至5中至少一项所述的方法，其特征在于，水解在乳糖酶的酶浓度为约180000至250000FCC units每千克待反应的乳糖的条件下进行。
7.权利要求1至6中至少一项所述的方法，其特征在于，水解在温度为23至27℃的范围内进行。
8.权利要求1至7中至少一项所述的方法，其特征在于，水解在pH值为6至7的范围内进行。
9.权利要求1至8中至少一项所述的方法，其特征在于，水解产物的纳滤借助由不锈钢、聚合材料、陶瓷、氧化铝或纺织品制得的膜进行。
10.权利要求1至9中至少一项所述的方法，其特征在于，水解产物的纳滤使用孔径为约100至约2000达尔顿的膜进行。
11.权利要求1至10中至少一项所述的方法，其特征在于，水解产物的纳滤在温度为4至55℃的范围内进行。
12.用于生产无乳糖乳制品的设备，包括
(a)一个超滤单元UF，
(b)一个储存和混合容器M，
(c)一个搅拌反应器R，以及
(d)一个纳滤单元NF，
其中
(i)UF-单元的渗余物侧与储存和混合容器，并且其滤液侧与搅拌反应器，
(ii)搅拌反应器与NF-单元，以及
(iii)NF-单元的渗余物侧与储存和混合容器，并且其滤液侧以成循环的形式再次与搅拌反应器
相连。
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