CN114586847A - 一种鲜奶级母乳化牛乳蛋白基料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及乳制品加工技术领域，具体涉及一种鲜奶级母乳化牛乳蛋白基料及其制备方法。本发明所提供的制备方法，可以一步获得母乳化牛乳蛋白基料，具体地，本发明以生鲜牛乳为原料，经脱脂和杀菌后，采用热过滤工艺，通过不同孔径的膜对牛乳进行分级过滤，通过调整不同跨膜压力差，使得渗透液的酪蛋白和乳清蛋白比例接近母乳中蛋白比例，再经喷雾干燥后制得母乳化蛋白基料粉，滤过液可直接配料或使用母乳化蛋白基料粉用于婴幼儿配方奶粉的生产。本发明制备得到的母乳化基料是以鲜牛奶为原料分离制备得到的，基料品质比干酪乳清更好；另外，本发明可实现婴幼儿配方奶粉行业乳基配料的国产化。
Description
技术领域
本发明涉及乳制品加工技术领域，具体涉及一种鲜奶级母乳化牛乳蛋白基料及其制备方法。
背景技术
婴儿配方奶粉又称母乳化奶粉，是指以牛乳(羊乳)及其加工制品为主要原料，加入适量的维生素、矿物质和其他辅料加工而成的，供婴幼儿(三周岁以内)食用的产品。婴幼儿配方粉需要含有足够的蛋白质、脂肪、碳水化合物、矿物质和维生素，尽可能模仿母乳的成分以维持婴儿的生长发育。但由于牛羊乳和人乳蛋白含量天然存在差异，如牛奶蛋白质中酪蛋白与乳清蛋白之比约为8：2，而人乳酪蛋白与乳清蛋白之比约为5：5。这要求在婴幼儿配方粉的生产过程中需要在喷雾干燥前加入一定量的乳清蛋白基料以达到与人乳中相似的蛋白比例。乳清蛋白主要来自动物乳清，而乳清是干酪加工的副产物。
现有技术中，报道了采用柠檬酸盐、葡萄糖酸-δ-内酯等螯合剂或酸化剂做脱钙预处理，然后在低温(0-15℃)条件下采用陶瓷膜或聚醚砜膜等进行微滤和洗滤，选择性的使β-酪蛋白和乳清蛋白富集到透过液中，所得透过液经超滤浓缩脱除乳糖和矿物质后，再通过喷雾干燥脱水，制备得到富含β-酪蛋白和乳清蛋白的高蛋白粉。但是，由于此方案中，膜渗透通量不足20kg/m2h，运行成本较高，该技术只适合实验室分析，难以实现工业化生产。
膜分离技术作为一项新技术，由于具有节能、降耗、无污染及操作温度低等的优点，在乳品工业中已取得了广泛的应用，如回收乳清、脱脂乳浓缩、微滤除菌等。膜分离技术是一种纯粹的物理筛分过程，生产过程中不需添加任何化学物质，而且操作温度低，不会破坏乳蛋白的天然结构，生产出的乳蛋白产品具有更好的功能特性，在食品加工领域具有更广泛的应用前景。
现有技术中，在采用膜分离技术进行乳成分分离时，一般以实现两种组分的完全分离为目的，如膜分离得到的渗透液中仅含乳清蛋白而不含酪蛋白。
发明内容
本发明的目的是实现鲜奶直接调整酪蛋白和乳清蛋白比例生产婴幼儿配方奶粉。
本发明通过筛选不同孔径的膜，并采用调节跨膜压力差的方式，调整并筛选膜分离渗透液中蛋白的比例，使目标酪蛋白和乳清蛋白比例达到5:5或6:4。
具体地，本发明第一方面，提供一种母乳化牛乳蛋白基料的制备方法，包括：对鲜牛乳进行杀菌和脱脂，使用孔径为160-200nm的陶瓷膜对杀菌脱脂后的鲜牛乳进行微滤和全过滤，所述微滤和全过滤的跨膜压力差为0.1-0.15Mpa。
本发明所用陶瓷膜为无机膜具有污染低、易清洗、耐酸碱、耐受温度范围广、寿命长的特点。
现有技术中，通常采用100nm的陶瓷膜，而不会使用160-200nm 的陶瓷膜，原因是：膜分离一般以实现两种组分的完全分离为目的，使用160-200nm的陶瓷膜进行分离时，部分酪蛋白会进入渗透液中，此时不满足完全分离的目的。因此，现有技术通常使用100nm的陶瓷膜来截留住所有的酪蛋白。
在本发明提供的制备方法中，杀菌脱脂前，鲜牛乳中干物质含量 (wt/wt)不低于11％，酸度为不高于18T，细菌总数不高于50万个/mL。
在本发明所提供的制备方法中，所述杀菌包括：72℃-80℃加热 12s-20s，60-65℃进行一段冷却，再于50-55℃进行二段冷却。
更具体地，将所述原料乳先在72℃-80℃加热12s-20s，以抑制微生物在整个生产过程中的生长和繁殖，同时又防止乳清蛋白发生变性，再于65℃进行一段冷却，再于55℃进行二段冷却，以保证在下一步的离心脱脂过程中，料液温度保持在50℃-55℃，获得最佳的脱脂效果。
在本发明所提供的制备方法中，所述脱脂时，温度为50℃-55℃，离心转速为6500-7000r/min，入料流速为80L/h-120L/h；优选地，入料流速为120L/h。
在本发明所提供的制备方法中，鲜牛乳脱脂后脂肪含量(wt/wt) 小于0.08％；优选地，鲜牛乳脱脂后脂肪含量(wt/wt)为0.06-0.07％。
对鲜牛乳进行脱脂后，0.06-0.07％的脂肪含量，可以防止脂肪球附着膜表面阻碍蛋白跨膜运输。
在本发明所提供的制备方法中，在所述微滤和全过滤中，采用 1800-2000W的超声处理；料液的循环流量为25-27L/min，超声处理减少蛋白在膜表面的吸附，提高渗透通量；液料的循环流量不能大于 30L/min，若循环流量过大会导致料液产生大量的泡沫甚至会溢出。
在本发明所提供的制备方法中，所述微滤和全过滤步骤包括：将所述杀菌脱脂后的鲜牛乳通过微滤浓缩至3倍时，加入去离子水至原脱脂乳体积，进行全过滤，至浓缩倍数为3，再次加入去离子水至原脱脂乳体积，进行全过滤，至浓缩倍数为3。
微滤过程得到两种液体，能穿过膜的是滤过液，被膜截留的是截留液，滤过液被收集而截留液暂且留在设备中。微滤结束后向截留液加水至初始体积，再进行相同的微滤操作，这一过程称为全过滤。本实验共进行了一次微滤操作和两次全过滤操作。
作为本发明的一个具体实施例，一种母乳化牛乳蛋白基料的制备方法，包括：将杀菌脱脂后的鲜牛乳在孔径为160-200nm的陶瓷膜进行跨膜压力差为0.12MPa的微滤和全过滤，收集两次或两次以上不同孔径下获得的渗透液，得到酪蛋白和乳清蛋白比例为(5-6)：(4-5) 的母乳化牛乳蛋白基料。
第二方面，本发明提供一种母乳化牛乳蛋白基料，采用上述制备方法制备获得，所述母乳化牛乳蛋白基料中，以质量比计，酪蛋白与乳清蛋白的比例为(5-6)：(4-5)。
根据本领域技术人员的理解，本发明还请求保护上述的母乳化牛乳蛋白基料，在生产婴幼儿配方奶粉或婴幼儿配方乳制品中的应用。
本发明的有益效果至少在于：
本发明以生鲜牛乳为原料，经脱脂和杀菌后，采用热过滤工艺，通过不同孔径的膜对牛乳进行分级过滤，使得渗透液部分酪蛋白和乳清蛋白比例接近母乳中蛋白比例5:5。
本发明获得的母乳化蛋白基料未添加任何化学试剂，安全无污染。本发明制备的母乳化基料是以鲜牛奶为原料分离制备，品质比干酪乳清更好；另外，可减少婴幼儿配方奶粉行业对干酪乳清进口的依赖，实现乳基配料的国产化。
本发明所提供的制备方法得到的渗透液可以经喷雾干燥后制得母乳化蛋白基料，滤过液直接配料用于婴幼儿配方粉的生产。
本发明所提供的制备方法为热滤工艺，未使用任何化学试剂，安全无污染，渗透通量为128.14kg/m2h。本发明所提供的制备方法中，膜通量过比冷滤工艺高4-9倍，运行成本低，易实现工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1的工艺流程图。
图2为本发明实施例1中，使用不同孔径陶瓷膜分离得到的渗透液外观图；其中1、4、7和10为微滤阶段所得渗透液；2、5、8和11为第一次全过滤所得渗透液；3、6、9和12为第二次全过滤所得的渗透液。
图3为本发明实施例1中不同孔径陶瓷膜过滤得到的截留液的电泳图，其中，M为蛋白marker；1-4分别为使用140,120,160和200nm 膜过滤得到的渗透液；5-8分别为使用140,120,160和200nm膜过滤得到的截留液。
图4为本发明不同孔径陶瓷膜微滤过程膜通量变化。
图5为本发明对比例1的工艺流程图。
图6为本发明对比例1中，100nm陶瓷膜微滤和全过滤过程膜通量变化。
图7为本发明对比例1中，不同阶段渗透液外观图，其中，1为微滤阶段渗透液；2为洗滤1阶段渗透液；3为洗滤2阶段渗透液。
图8为本发明对比例1中，100nm陶瓷膜过滤得到的截留液的电泳图，其中，M为蛋白marker；1为100nm膜过滤得到的截留液；2为使用100nm膜过滤得到的渗透液。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明中，对陶瓷膜进行清洗的水量，以45kg脱脂乳为例，第一次水洗需RO水25kg，碱洗(1.5％氢氧化钠)25kg，第二次水洗需RO 水25kg，酸洗(1％硝酸)25kg，第三次水洗RO水25kg。共计用RO 水75kg，碱液(1.5％氢氧化钠)25kg，酸液(1％硝酸)25kg。按80吨鲜奶计算，脱脂奶为76.4吨，需RO水76.4*75/45＝127.3吨，碱液 76.4*25/45＝42.44吨，酸液76.4*25/45＝42.44吨。
实施例1
本实施例提供一种鲜奶级母乳化牛乳蛋白基料的制备方法，实施例1中探究过程的工艺流程图见图1，探究过程的步骤如下：
(1)杀菌：取原料乳50L，原料乳的干物质的质量百分含量为 12.54％，酸度低于18°T，细菌总数4.8×104个/mL；杀菌机的加热温度72℃，加热15s，一段冷却温度65℃，二段冷却温度55℃。
(2)离心脱脂：将50L原料乳，在温度为55℃，离心转速为 7000r/min，入料流速120L/h下进行乳脂分离，耗时30min，得脂肪含量为0.08％的脱脂乳48kg。
(3)微滤和全过滤：将所得脱脂乳全部投入微滤设备中，并通过开启冷凝水将温度稳定在50℃；膜材料选用孔径为120、140、160 和200nm的管式陶瓷膜；跨膜压力差为0.12MPa，截留液循环流速为 25L/min；当微滤的截留液浓缩至3倍时，一次性加入去离子水32kg 进行全过滤，当再次浓缩至3倍时，一次性加入去离子水32kg进行全过滤，最终浓缩至3倍的16kg全过滤截留液和96kg的全过滤渗透液。过滤过程应用便携式超声设备，超声功率为2000W以减少蛋白等成分吸附在膜表面上，减小膜污染阻力，提高渗透通量。
不同孔径陶瓷膜所获得的截留液外观见图2，不同孔径陶瓷膜所获得的截留液电泳图见图3。不同孔径陶瓷膜微滤过程中膜通量的变化折线图见图4。
本实施例对不同孔径陶瓷膜分离得到的渗透液的蛋白组成进行分析，结果见表1。
表1使用不同孔径陶瓷膜分离得到的渗透液蛋白组成
从表1中可以看出，随着孔径的不断增大，越来越多的酪蛋白进入到渗透液当中，使得渗透液越来越浑浊，相比于120和140nm的膜， 160和200nm膜渗透液乳清蛋白与酪蛋白的比例更接近1:1，且200nm 膜渗透液中总氮含量高于160nm陶瓷膜，因此后续选择200nm的膜进行跨膜压力差的调整以实现两种蛋白比例接近1:1。
本实施例对200nm陶瓷膜不同跨膜压力差下渗透液蛋白的组成及200nm陶瓷膜不同阶段酪蛋白和乳清蛋白的累计脱除率进行分析，结果见表2、表3。
表2不同跨膜压力差下渗透液蛋白组成
表3不同阶段酪蛋白和乳清蛋白的累计脱除率
从表2和表3中可以得知，在跨膜压力差为0.12Mpa时，选用200 nm膜能实现酪蛋白和乳清蛋白比例接近1:1，乳清蛋白脱除率为60.3％，酪蛋白脱除率为7.4％，平均膜通量为128.14kg/m2h。
实施例2以实施例1所得渗透液为原料生产婴儿配方奶粉生产婴儿配方奶粉
本实施例提供以实施例1所得渗透液为原料生产婴儿配方奶粉。
(1)生产1吨一段婴儿配方乳粉，按照公司单一配方中使用生乳的量，一段生乳1887kg，乳清粉(D90)525kg；其中鲜奶中带入乳清粉94.35kg。则生产1吨一段婴儿配方乳粉需要额外添加的乳清粉为525-94.35＝430.65kg；由于对比例1中乳清蛋白脱除率为80.9％，含量为0.3％，而实施例1乳清蛋白脱除率为60.3％，因此渗透液乳清蛋白含量为0.3％*60.3％/80.9％＝0.223％，需要分离生产乳清液的量为 430.65*10％/0.223％＝18.72吨。由于渗透液中包含一定量的酪蛋白，因此可以减少生乳的使用量，生乳中酪蛋白含量为2.5％，此时需要一段生乳质量为(1887*2.5％-18720*0.09％)/2.5％＝1213kg。
(2)生产1吨较大婴儿配方奶粉(二段)，生牛乳3068kg，乳清粉425kg，鲜奶带入153.4kg，则生产1吨二段婴儿配方乳粉需要额外添加的乳清粉为425-153.4＝271.6kg；由于实施例1中乳清蛋白的脱除率为60.3％；需要分离生产乳清液的量为430.65*10％/0.223％＝11.81吨。由于渗透液中包含酪蛋白，因此可以减少生乳的使用量，此时需要一段生乳质量为(3068*2.5％-11810*0.09％)/2.5％＝2642kg。
(3)生产1吨幼儿配方奶粉(三段)，生牛乳3297kg，乳清粉 380kg，生乳中带入乳清粉164.85kg，则生产1吨三段婴儿配方乳粉需要额外添加的乳清粉为380-164.85＝215.15kg；由于实施例1中乳清蛋白的脱除率为60.3％；需要分离生产乳清液的量为430.65*10％/ 0.223％＝9.65吨。由于渗透液中包含酪蛋白，因此可以减少生乳的使用量，此时需要一段生乳质量为(3297*2.5％-9650*0.09％)/2.5％＝2950 kg。
(4)水的回收采用两种方式：
第一种：使用纳滤和反渗透对乳清液进行浓缩，1吨奶形成1.8吨乳清液，先使用10kDa纳滤膜对1.8吨乳清液中的乳清蛋白和部分乳糖进行回收，浓缩倍数为5，得渗透液(乳糖、盐和水)1.8*4/5＝1.44吨，再对渗透液进行反渗透处理回收水，浓缩倍数为10，得反渗透水1.30 吨。即一段产生的18.72吨乳清液可产生RO水18.72*1.3/1.8＝13.52吨；二段产生的11.81吨乳清液可产生RO水11.81*1.3/1.8＝8.53吨，三段产生的9.65吨乳清液可产生RO水9.65*1.3/1.8＝6.97吨RO水，可用于清洗。
第二种：使用反渗透膜对乳清液进行浓缩，浓缩倍数为10，得到反渗透水1.8*9/10＝1.62吨，即一段产生的18.72吨乳清液可产生RO水 18.72*1.62/1.8＝16.85吨；二段产生的11.81吨乳清液可产生RO水11.81*1.62/1.8＝10.63吨，三段产生的9.65吨乳清液可产生RO水 9.65*1.62/1.8＝8.69吨RO水，可用于清洗。
对比例1酪蛋白和乳清蛋白完全分离后再调整酪蛋白和乳清蛋白进行配料
本对比例提供一种将酪蛋白和乳清蛋白完全分离后再调整酪蛋白和乳清蛋白进行配料的方法，本对比例的工艺流程图见图5，步骤如下：
(1)杀菌：取原料乳100L，原料乳的干物质的质量百分含量为 12.54％，酸度18°T，细菌总数4.8×104个/mL；杀菌机的加热温度72℃，加热15s，一段冷却温度65℃，二段冷却温度55℃。
(2)离心脱脂：将50L原料乳，在温度为55℃，离心转速为 7000r/min,入料流速120L/h下进行乳脂分离，耗时30min，得脂肪含量为0.07％的脱脂乳96kg。
(3)微滤和全过滤：将所得脱脂乳全部投入微滤设备中，并通过开启冷凝水将温度稳定在50℃；膜材料选用孔径为100nm的管式陶瓷膜；跨膜压力差为0.12MPa，截留液循环流速为25L/min，平均膜通量为66kg/m2h；当微滤浓缩至3倍时，一次性加入去离子水64kg进行全过滤，当再次浓缩至3倍时，一次性加入去离子水64kg进行全过滤，最终浓缩至3倍的32kg全过滤截留液和192kg的全过滤渗透液。过滤过程应用便携式超声设备，超声功率为2000W以减少蛋白等成分吸附在膜表面上，减小膜污染阻力，提高渗透通量。
本对比例使用100nm孔径陶瓷膜分离得到的渗透液蛋白组成及比例见表4，不同阶段乳清蛋白的累计脱除率结果见表5；100nm陶瓷膜微滤和全过滤过程膜通量变化折线图见图6，100nm膜过滤得到的截留液外观见图7，100nm膜过滤得到的渗透液的电泳图见图8。
表4使用100nm孔径陶瓷膜分离得到的渗透液蛋白组成及比例
表5不同阶段乳清蛋白的累计脱除率
对比例2以对比例1所得渗透液为原料，生产婴儿配方奶粉
本对比例提供将酪蛋白和乳清蛋白完全分离后再调整酪蛋白和乳清蛋白的比例，生产婴儿配方奶粉。
(1)生产1吨婴儿配方乳粉(一段)，按照公司单一配方中使用生乳的量一段生乳1887kg，乳清粉(D90)525kg；其中鲜奶中带入乳清粉94.35kg，则生产1吨一段婴儿配方乳粉需要额外添加的乳清粉为 430.65kg；由于对比例1中乳清蛋白的脱除率为80.9％；需要分离生产乳清液的量为430.65*10％/0.3％＝14.36吨。
(2)生产1吨较大婴儿配方奶粉(二段)，生牛乳3068kg，乳清粉425kg，鲜奶带入153.4kg，则生产1吨二段婴儿配方乳粉需要额外添加的乳清粉为271.6kg；由于对比例1中乳清蛋白的脱除率为80.9％；需要分离生产乳清液的量为9.05吨。
(3)生产1吨幼儿配方奶粉(三段)，生牛乳3297kg，乳清粉380 kg，生乳中带入乳清粉164.85kg，则生产1吨一段婴儿配方乳粉需要额外添加的乳清粉为215.15kg；由于对比例1中乳清蛋白的脱除率为 80.9％；需要分离生产乳清液的量为7.17吨。
(4)水的回收采用两种方式：
第一种：使用纳滤和反渗透对乳清液进行浓缩，1吨奶形成1.8吨乳清液，先使用10kDa纳滤膜对1.8吨乳清液中的乳清蛋白和部分乳糖进行回收，浓缩倍数为5，得渗透液(乳糖、盐和水)1.8*4/5＝1.44吨，再对渗透液进行反渗透处理回收水，浓缩倍数为10，得反渗透水1.30 吨。即一段产生的14.36吨乳清液可产生RO水14.36*1.3/1.8＝10.37吨；二段产生的9.05吨乳清液可产生RO水9.05*1.3/1.8＝6.54吨，三段产生的7.17吨乳清液可产生RO水7.17*1.3/1.8＝5.18吨RO水，可用于清洗。
第二种：使用反渗透膜对乳清液进行浓缩，浓缩倍数为10，得到反渗透水1.8*9/10＝1.62吨，即一段产生的10.37吨乳清液可产生RO水 10.37*1.62/1.8＝9.33吨；二段产生的9.05吨乳清液可产生RO水9.05*1.62/1.8＝8.15吨，三段产生的7.17吨乳清液可产生RO水 7.17*1.62/1.8＝6.45吨RO水，可用于清洗。
实验例1耗能检测
耗能检测结果表明，直接制备渗透液酪蛋白和乳清蛋白1:1的方案中(实施例1)，使用了更大的膜孔径，蛋白传质速率会更快，整个过程平均膜通量为128kg/m2h，比对比例1的膜通量(66kg/m2h)高出近一倍，分离速度更快，因此节省了分离时间与能耗。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种母乳化牛乳蛋白基料的制备方法，其特征在于，包括：使用孔径为160-200nm的陶瓷膜对杀菌脱脂后的鲜牛乳进行微滤和全过滤，所述微滤和全过滤的跨膜压力差为0.1-0.15Mpa。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，杀菌脱脂前，鲜牛乳中干物质含量(wt/wt)不低于11％，酸度为不高于18°T，细菌总数不高于50万个/mL。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，杀菌脱脂前，鲜牛乳中干物质含量(wt/wt)为12.54％-13.01％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述杀菌包括：72℃-80℃加热12s-20s，60-65℃进行一段冷却，再于50-55℃进行二段冷却。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述脱脂时，温度为50℃-55℃，离心转速为6500-7000r/min，入料流速为80L/h-120L/h；优选地，入料流速为120L/h。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，鲜牛乳脱脂后脂肪含量(wt/wt)小于0.08％；优选地，鲜牛乳脱脂后脂肪含量(wt/wt)为0.06-0.07％。
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述微滤和全过滤中，采用1800-2000W的超声处理；料液的循环流量为25L/min-30L/min。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，将杀菌脱脂后的鲜牛乳在孔径为160-200nm的陶瓷膜进行跨膜压力差为0.12MPa的微滤和全过滤，收集两次或两次以上不同孔径下获得的渗透液，得到酪蛋白和乳清蛋白比例为(5-6)：(4-5)的母乳化牛乳蛋白基料。
9.一种母乳化牛乳蛋白基料，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述制备方法制备获得，所述母乳化牛乳蛋白基料中，以质量比计，酪蛋白与乳清蛋白的比例为(5-6)：(4-5)。
10.权利要求9所述的母乳化牛乳蛋白基料在生产婴幼儿配方乳制品中的应用。
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