CN115530237A - 一种基于正渗透的浓缩乳制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于正渗透的浓缩乳制备方法及其应用。所述方法首次采用大分子的食品加工原料溶液作为汲取液进行正渗透浓缩。本发明中汲取液采用乳制品加工中常见原料，汲取液反向渗透少，且无需回收，稀释后的汲取液可直接用于生产，大幅降低回收能耗，并减少废水排放。
Description
技术领域
本发明属于食品制造领域，具体涉及一种基于正渗透的浓缩乳制备方法及其用于制备浓缩乳的应用。
背景技术
作为一种营养丰富的天然食品，牛乳含有人体所需的全部氨基酸、多种维生素、矿物质，为了更好的满足消费者对于营养物质特别是高蛋白的需求，对牛乳进行浓缩已经成为一种常见的做法。
与传统的降膜浓缩以及最近兴起的反渗透浓缩相比，正渗透(FO)浓缩利用正渗透膜两侧溶液间的渗透压，实现水从料液到汲取液的自发转移，无需加热、加压，对待浓缩乳活性成分影响小、能耗低。
但是，目前使用的正渗透技术存在汲取液溶质反向渗透到料液中的问题，使用小分子的无机盐、糖等作为汲取液溶质时这种问题更加严重，容易影响食品的营养和口感。同时，汲取液中溶质和水的分离、回收也需要消耗能源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于正渗透的浓缩乳制备方法，首次采用大分子的食品加工原料溶液作为汲取液进行正渗透浓缩，以解决现有的正渗透乳浓缩时存在无机盐反渗透到料液中影响食品的营养和口感，以及汲取液中溶质和水的分离、回收也需要消耗能源的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种基于正渗透的浓缩乳制备方法，采用全脂乳粉溶液、脱脂乳粉溶液、乳清蛋白粉溶液、乳蛋白粉溶液和酪乳粉溶液中的一种或多种作为汲取液。
优选地，所述乳清蛋白粉溶液包括浓缩乳清蛋白粉溶液和分离乳清蛋白粉溶液中的一种或两种。
进一步地，所用汲取液质量浓度分别为：全脂乳粉溶液15-40％、脱脂乳粉溶液15-40％、浓缩乳清蛋白粉溶液10-75％、分离乳清蛋白粉溶液10-70％、浓缩乳蛋白粉溶液10-35％和酪乳粉溶液10-35％。
进一步地，正渗透膜系统中，包括一个或多个串联的正渗透膜组件。
进一步地，所述方法包括使待浓缩乳料液通过包括一个或多个串联的正渗透膜组件的正渗透膜系统进行正渗透。
进一步地，正渗透膜组件的面积(m2)与进料处理量(L)的比值在6:1-1:6之间，汲取液和待浓缩乳料液流速比为1:0.5–1:6。
进一步地，待浓缩乳进入正渗透膜系统的温度不超过20℃，出口温度不超过45℃。
进一步地，所述浓缩乳制备方法包括对待浓缩乳进行以下前置处理：
a.利用分离技术对原料乳进行净乳，去除所述原料乳中杂质；
b.脱气、均质；
c.巴氏杀菌；
d.脱脂。
根据本发明的另一方面，提供上述浓缩乳制备方法用于制备浓缩乳的应用。
根据本发明的方法具有以下优点：
汲取液采用乳制品加工中常见大分子物质原料，使得汲取液反向渗透少，且稀释后的汲取液可直接用于生产，无需回收，大大降低了回收能耗及废水排放。
附图说明
结合以下附图以进一步说明本发明，其中：
图1示出了根据本发明的基于正渗透的浓缩乳制备方法的示意图。
具体实施方式
为了更加清楚地理解本发明的技术特征、目的和有益效果，现对本发明的技术方案进行进一步的详细说明。应理解，以下具体实施方式仅是示例性的，本发明的技术方案不限于以下所列举的具体实施方式。
本发明提供了一种基于正渗透的浓缩乳制备方法，将待浓缩乳(例如待浓缩牛乳)通过正渗透膜系统进行处理，得到浓缩乳。其中，正渗透膜系统中，汲取液采用乳制品加工中，常见的大分子量原料形成汲取液，为全脂乳粉溶液、脱脂乳粉溶液、浓缩乳清蛋白粉溶液、分离乳清蛋白粉溶液、浓缩乳蛋白粉溶液和酪乳粉溶液中的一种或多种的组合。
如图1所示，本发明所述正渗透膜系统，包括单个或多个串联的正渗透膜组件、原料罐2、产品罐3和汲取液罐1。每个正渗透膜组件的出口处设有温度计T(监测温度)、压力计P(监测膜内污阻情况)，实线箭头方向为料液进液方向，虚线箭头方向为汲取液方向。
通常，正渗透膜组件外设有隔温层，严格控制温度防止微生物大量滋生(不高于20℃)。每个正渗透膜组件的出口都设有管路直接到达产品罐，牛乳进入正渗透膜系统的温度不超过20℃，出口温度不超过45℃。
本发明可用的正渗透膜可包括卷式膜、板式膜和中空膜中的一种或多种，膜面积为10-300m2。同时，正渗透膜面积(m2)与进料处理量(L)的比值在6:1-1:6之间。
在具体实施方式中，汲取液和料液流速比为1:0.5–1:6。汲取液为食品加工原料溶液，包括全脂乳粉溶液、脱脂乳粉溶液、浓缩乳清蛋白粉溶液、分离乳清蛋白粉溶液、浓缩乳蛋白粉溶液、酪乳粉溶液、白砂糖溶液、葡萄糖溶液中的一种或多种。
在本发明的方法中，向正渗透膜系统添加汲取液的方式有两种，包括：
1.不调整汲取液浓度(例如后文叙述的实施例7、对比例3-5)，汲取液从较高浓度开始，随着汲取的进行，水从料液侧转移到汲取液侧，料液浓度不断升高，而汲取液浓度不断降低；
2.维持汲取液浓度在一个范围(例如后文叙述的实施例1-6、对比例1-2)，当汲取液质量浓度降低5-30％时，补充汲取液原料或直接更换为初始浓度汲取液，使汲取液的浓度回复至初始浓度。
由于汲取液原料溶解特性不同，上述所用汲取液质量浓度分别为：全脂乳粉溶液15-40％、脱脂乳粉溶液15-40％、浓缩乳清蛋白粉溶液10-75％、分离乳清蛋白粉溶液10-70％、浓缩乳蛋白粉溶液10-35％和酪乳粉溶液10-35％。
需要浓缩的原料乳可以先进行前置处理，包括对检验合格的生牛乳进行以下一项或多项处理：
a.利用分离技术对原奶进行净乳，去除乳中杂质；
b.脱气均质；
c.巴氏杀菌；
d.脱脂，将鲜牛乳预热，进入分离机，脱除脂肪。
综上所述，根据本发明的方法，汲取液采用乳制品加工中常见的大分子原料，汲取液反向渗透少，且无需回收，稀释后的汲取液可直接用于生产，大大降低了回收能耗及废水排放。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。
下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法，所用的试剂如无特别说明均为可商购的试剂。
相关检测方法：
蛋白质含量：GB 5009.5-2016食品安全国家标准食品中蛋白质的测定；
脂肪含量：GB5009.6-2016食品安全国家标准食品中脂肪的测定；
乳糖含量：GB 5009.8-2016食品安全国家标准食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖的测定；
碳水化合物含量：根据《预包装食品营养标签通则》(GB 28050-2011)问答(修订版)中“食品中碳水化合物的量可按减法或加法计算获得”原则进行检测计算；
钙含量：GB5009.92-2016食品安全国家标准食品中钙的测定；
钠含量：GB5009.91-2017食品安全国家标准食品中钾、钠的测定。
实施例1
根据本实施例的一种基于正渗透技术的浓缩乳制备方法，具体步骤如下：
对生牛乳进行理化指标的检验；
将生牛乳冷却2-6℃暂存，检验合格后对生牛乳进行脱气、均质、巴氏杀菌；
将得到的牛乳进入正渗透膜系统进行处理，得到浓缩牛乳。
所用正渗透膜为卷式膜，膜面积(m2)与进料体积(L)比为1:2，汲取液为30％的全脂乳粉溶液，当浓度降至20-25％时更换为30％浓度的汲取液，汲取液和料液流速比为1:2，牛乳进入正渗透膜浓缩系统的温度不超过10℃，出口处温度不超过20℃。
实施例2
根据本实施例的一种基于正渗透技术的浓缩乳制备方法，具体步骤如下：
对生牛乳进行理化指标的检验；
将生牛乳冷却2-6℃暂存，检验合格后对生牛乳进行脱气、均质、巴氏杀菌；
将得到的牛乳进入正渗透膜系统进行处理，得到浓缩牛乳。
所用正渗透膜为卷式膜，膜面积(m2)与进料体积(L)比为1:3，汲取液为25％的脱脂乳粉溶液，当浓度降至15-20％时更换为30％浓度的汲取液，汲取液和料液流速比为1:2.5，牛乳进入正渗透膜浓缩系统的温度为15℃，并全程恒温保持15℃。
实施例3
根据本实施例的一种基于正渗透技术的浓缩乳制备方法，具体步骤如下：
对生牛乳进行理化指标的检验；
将生牛乳冷却2-6℃暂存，检验合格后对生牛乳进行脱气、均质；
将得到的牛乳进入正渗透膜系统进行处理，得到浓缩牛乳。
所用正渗透膜为中空膜，膜面积(m2)与进料体积(L)比为1:4，汲取液为40％的浓缩乳清蛋白粉溶液，当浓度降至15-30％时补充汲取液溶质使汲取液浓度返回40％，汲取液和料液流速比为1:2，牛乳进入正渗透膜浓缩系统的温度为10℃，并全程恒温保持10℃。
实施例4
根据本实施例的一种基于正渗透技术的浓缩乳制备方法，具体步骤如下：
对生牛乳进行理化指标的检验；
将生牛乳冷却2-6℃暂存，检验合格后对生牛乳进行脱气、均质、巴氏杀菌；
将得到的牛乳进入正渗透膜系统进行处理，得到浓缩牛乳。
所用正渗透膜为中空膜，膜面积(m2)与进料体积(L)比为1:4，汲取液为35％的分离乳清蛋白粉溶液，当浓度降至15-25％时补充汲取液溶质使汲取液浓度返回35％，汲取液和料液流速比为1:4,牛乳进入正渗透膜浓缩系统的温度为15℃，并全程恒温保持15℃。
实施例5
根据本实施例的一种基于正渗透技术的浓缩乳制备方法，具体步骤如下：
对生牛乳进行理化指标的检验；
将生牛乳冷却2-6℃暂存，检验合格后对生牛乳进行均质、巴氏杀菌；
将得到的牛乳进入正渗透膜系统进行处理，得到浓缩牛乳。
所用正渗透膜为卷式膜，膜面积(m2)与进料体积(L)比为1:3，汲取液为20％的浓缩乳蛋白粉溶液，当浓度降至10-15％时更换为20％浓度的汲取液，汲取液和料液流速比为1:1.5,牛乳进入正渗透膜浓缩系统的温度为15℃，并全程恒温保持15℃。
实施例6
根据本实施例的一种基于正渗透技术的浓缩乳制备方法，具体步骤如下：
对生牛乳进行理化指标的检验；
将生牛乳冷却2-6℃暂存，检验合格后对生牛乳进行脱气、均质、巴氏杀菌；
将得到的牛乳进入正渗透膜系统进行处理，得到浓缩牛乳。
所用正渗透膜为板式膜，膜面积(m2)与进料体积(L)比为1.5:1，汲取液为20％的酪乳粉溶液，当浓度降至10-15％时更换为20％浓度的汲取液，汲取液和料液流速比为1:2，牛乳进入正渗透膜浓缩系统的温度为20℃，并全程恒温保持20℃。
实施例7
根据本实施例的一种基于正渗透技术的浓缩乳制备方法，具体步骤如下：
对生牛乳进行理化指标的检验；
将生牛乳冷却2-6℃暂存，检验合格后对生牛乳进行脱气、均质、巴氏杀菌；
将得到的牛乳进入正渗透膜系统进行处理，得到浓缩牛乳。
所用正渗透膜为卷式膜，膜面积(m2)与进料体积(L)比为1:3，汲取液为35％的脱脂乳粉溶液，期间不调整汲取液浓度，汲取液和料液流速比为1:1.2,牛乳进入正渗透膜浓缩系统的温度为20℃，并全程恒温保持20℃。
对比例1
根据本对比例的一种基于正渗透技术的浓缩乳制备方法，具体步骤如下：
对生牛乳进行理化指标的检验；
将生牛乳冷却2-6℃暂存，检验合格后对生牛乳进行脱气、均质、巴氏杀菌；
将得到的牛乳进入正渗透膜系统进行处理，得到浓缩牛乳。
所用正渗透膜为卷式膜，膜面积(m2)与进料体积(L)比为1:2，汲取液为10％的氯化钠溶液，当浓度降至5-7％时补充汲取液溶质使汲取液浓度返回10％，汲取液和料液流速比为1:2,牛乳进入正渗透膜浓缩系统的温度为15℃，并全程恒温保持15℃。
对比例2
根据本对比例的一种基于正渗透技术的浓缩乳制备方法，具体步骤如下：
对生牛乳进行理化指标的检验；
将生牛乳冷却2-6℃暂存，检验合格后对生牛乳进行脱气、均质、巴氏杀菌；
将得到的牛乳进入正渗透膜系统进行处理，得到浓缩牛乳。
所用正渗透膜为卷式膜，膜面积(m2)与进料体积(L)比为1:2.5，汲取液为10％的氯化钙溶液，当浓度降至5-7％时补充汲取液溶质使汲取液浓度返回10％，汲取液和料液流速比为1:2,牛乳进入正渗透膜浓缩系统的温度为10℃，并全程恒温保持10℃。
对比例3
根据本对比例的一种基于正渗透技术的浓缩乳制备方法，具体步骤如下：
对生牛乳进行理化指标的检验；
将生牛乳冷却2-6℃暂存，检验合格后对生牛乳进行脱气、均质、巴氏杀菌；
将得到的牛乳进入正渗透膜系统进行处理，得到浓缩牛乳。
所用正渗透膜为卷式膜，膜面积(m2)与进料体积(L)比为1:1.5，汲取液为20％的白砂糖溶液，期间不调整汲取液浓度，汲取液和料液流速比为1:2,牛乳进入正渗透膜浓缩系统的温度为10℃，并全程恒温保持10℃。
对比例4
根据本对比例的一种基于正渗透技术的浓缩乳制备方法，具体步骤如下：
对生牛乳进行理化指标的检验；
将生牛乳冷却2-6℃暂存，检验合格后对生牛乳进行脱气、均质、巴氏杀菌；
将得到的牛乳进入正渗透膜系统进行处理，得到浓缩牛乳。
所用正渗透膜为中空膜，膜面积(m2)与进料体积(L)比为1:2，汲取液为15％的葡萄糖溶液，期间不调整汲取液浓度，汲取液和料液流速比为1:3,牛乳进入正渗透膜浓缩系统的温度不超过15℃，出口处温度不超过20℃。
对比例5
根据本对比例的一种基于正渗透技术的浓缩乳制备方法，具体步骤如下：
对生牛乳进行理化指标的检验；
将生牛乳冷却2-6℃暂存，检验合格后对生牛乳进行脱气、均质、巴氏杀菌、脱脂；
将得到的牛乳进入正渗透膜系统进行处理，得到浓缩牛乳。
所用正渗透膜为卷式膜，膜面积(m2)与进料体积(L)比为1:1，汲取液为25％的白砂糖溶液，期间不调整汲取液浓度，汲取液和料液流速比为1:1.2,牛乳进入正渗透膜浓缩系统的温度为20℃，并全程恒温保持20℃。
对上述实施例1-7和对比例1-5制得的浓缩乳检测性能，结果如下表所示：
表1浓缩后产品的指标
实验结果分析
对实施例1-7与对比例1-5的产品指标进行对比，整体上，使用大分子食品加工原料溶液(全脂乳粉、脱脂乳粉、浓缩乳清蛋白、浓缩乳蛋白、酪乳粉)和小分子的无机盐溶液(氯化钠、氯化钙)、糖溶液(葡萄糖、白砂糖)作为汲取液都能起到良好的牛乳浓缩效果，但大分子的食品加工原料溶液均需要相对较高的浓度才能达到小分子无机盐溶液、糖溶液的效果，这与这些食品加工原料和牛乳组分接近有关，主要大分子成分如蛋白质、脂肪在牛乳中含量较高，导致需要较高浓度的大分子食品加工原料溶液才能在正渗透膜两侧形成足够的渗透压差进行浓缩，而小分子的无机盐、葡萄糖、蔗糖在牛乳中含量很低甚至没有，无须太高浓度的溶液作为汲取液就能达到较好的浓缩效果。
在正渗透膜的应用中，汲取液溶质反向渗透一直都是备受关注的一个问题，汲取液溶质从汲取液侧转移到料液侧，不仅会造成汲取液的损失，还会改变料液的组分，影响口感，因此只有水发生转移，而料液中其余组分等比例被浓缩是正渗透膜应用最理想的状态。实施例1-7中，各组分浓缩的比例基本保持一致，说明在浓缩过程中，除了水以外几乎无其他组分通过正渗透膜进行转移，基本上不存在汲取液溶质反向渗透的问题。而对比例1使用氯化钠作为汲取液导致浓缩样品中钠离子的浓缩比要远高于其他组分，对比例2使用氯化钙作为汲取液导致浓缩样品中钙离子的浓缩比要远高于其他组分，说明在浓缩过程中，无机盐汲取液的溶质会从汲取液侧大量转移到料液侧。而对比例3-5使用葡萄糖、白砂糖作为汲取液导致浓缩后牛乳中的碳水化合物含量明显高于乳糖含量，基于正常牛乳中的碳水化合物只有乳糖，这一现象说明浓缩过程中作为汲取液溶质的葡萄糖、蔗糖会从汲取液侧大量转移到料液侧，因此无论是使用小分子的无机盐溶液还是糖溶液，都会出现明显的汲取液溶质反向渗透现象，不利于牛乳的营养和口感以及组分含量的控制。
以上所述仅仅是本发明的优选实施方式。应当指出的是，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，本领域技术人员可对本发明的细节和特征进行各种修改、组合、变更或替换。这些修改、组合、变更或替换也应理解为包括在本发明要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种基于正渗透的浓缩乳制备方法，其特征在于，采用全脂乳粉溶液、脱脂乳粉溶液、乳清蛋白粉溶液、乳蛋白粉溶液和酪乳粉溶液中的一种或多种作为汲取液。
2.根据权利要求1所述的浓缩乳制备方法，其特征在于，所述乳清蛋白粉溶液包括浓缩乳清蛋白粉溶液和分离乳清蛋白粉溶液中的一种或两种。
3.根据权利要求2所述的浓缩乳制备方法，其特征在于，所用汲取液质量浓度分别为：全脂乳粉溶液15-40％、脱脂乳粉溶液15-40％、浓缩乳清蛋白粉溶液10-75％、分离乳清蛋白粉溶液10-70％、浓缩乳蛋白粉溶液10-35％和酪乳粉溶液10-35％。
4.根据权利要求1所述的浓缩乳制备方法，其特征在于，包括：使待浓缩乳料液通过包括一个或多个串联的正渗透膜组件的正渗透膜系统进行正渗透。
5.根据权利要求4所述的浓缩乳制备方法，其特征在于，所述正渗透膜组件选自卷式正渗透膜、板式正渗透膜和中空正渗透膜中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的浓缩乳制备方法，其特征在于，正渗透膜组件的面积(m2)与进料处理量(L)的比值在6:1-1:6之间，汲取液和待浓缩乳料液的流速比为1:0.5–1:6。
7.根据权利要求4所述的浓缩乳制备方法，其特征在于，待浓缩乳进入正渗透膜系统的温度不超过20℃，出口温度不超过45℃。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的浓缩乳制备方法，其特征在于，包括对待浓缩乳进行以下前置处理：
a.利用分离技术对原料乳进行净乳，去除所述原料乳中杂质；
b.脱气、均质；
c.巴氏杀菌；
d.脱脂。
9.根据权利要求8所述的浓缩乳制备方法，所述原料乳为牛乳。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的浓缩乳制备方法用于制备浓缩乳的应用。
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- 2021-06-30 CN CN202110735080.5A patent/CN115530237A/zh active Pending
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