牛奶，是最古老的天然乳制品之一。乳是幼小哺乳动物出生后最初阶段的唯一食物。乳中的物质既提供能量，又提供了生长所需的基础营养。乳中还含有保护幼小动物免受感染的多种抗体。乳制品的制作过程蕴含着丰富的传统工艺和营养价值。然而，当现代科技轻叩这扇古老的门扉，膜分离的创新技术，正悄然变更乳制品行业。它通过精密分离的技术，保证了牛奶的纯净度和营养价值，为乳品的安全生产和品质提升提供了强有力的支持。
一、牛乳的成分
正常牛乳中，各种成分的含量大致是稳定的，因此可以根据这一标准来辨别乳的好坏。乳的成分十分复杂，其中至少含有上百种化学成分，主要包括水分、脂肪、蛋白质、乳糖、盐类、维生素、酶类及气体。当受到各种因素的影响时，其含量在一定范围内会有所变动，其中脂肪变动最大，蛋白质次之，乳糖含量通常很少变化。牛乳的主要化学成分及基本组成如下表所示。
从表上看出，水分占比86%-88%，蛋白质含量2.8%-3.3%，脂类含量3.1%-3.6%，乳糖含量4.5%-5.0%，还有微量的矿物质，维生素等。
二、膜分离在乳制品行业的工业化运用
膜分离技术是用于对分子和离子进行分离的技术，是一种已被证实的分离方法，在过去的几十年中，早在上世纪七十年代初，这项技术就已在乳品工业中应用了。
如今，发达国家的乳制品工业已非常普遍地应用了膜分离技术，且不断地改进该技术以继续扩大其应用范围。在我国，乳品加工应用膜分离技术尚有很大的发展空间，尽管我国乳品工业近年来发展较快，但国内人均乳制品消费量还较低，膜分离方面少有深加工产品，因此全行业大规模地应用暂时比较少见。
未来，随着我国人民生活水平的不断提高，国内对乳品的需求量必然增加，大家对乳制品的质量和种类也会提出更高更多的要求，所以膜分离技术在乳制品行业的潜在市场很大，工业化应用将更加广泛。
三、膜分离在乳制品行业的具体运用
膜分离在乳制品行业的详细运用见下图：
1、微滤（MF）
主要用于去除牛奶中的微生物、分离和去除乳脂肪球及较大的悬浮颗粒。微滤膜的孔径通常在0.1至10µm之间，能有效拦截细菌而不影响乳糖、矿物质等小分子物质的通过。
分离脂肪球
牛乳中脂肪球的平均粒径为3.5µm，可以通过陶瓷膜微滤分离不同粒径的脂肪球。均质机也可以改变脂肪球的粒径，但是均质机在改变脂肪球粒径大小的同时，也改变了脂肪球的界面组成，它会使乳脂肪中由乳磷脂和膜蛋白组成的原始天然膜变成由酪蛋白和乳清蛋白组成的膜。而微滤膜分离技术就可以有效避免这一情况，微滤陶瓷膜可以在不改变脂肪球界面的情况下，将脂肪球分成各种粒径，满足乳品生产的稳定化、多样化。
牛奶除菌
牛乳加工中最常见的杀菌方式主要有巴氏杀菌（Pasteurization）和超高温灭菌（Ultra-high Temperature，UHT）2 种热加工类型。超高温灭菌生产出来的牛乳叫做“UHT乳”，尽管UHT乳的常温储存时间较长，但在超高温过程中破坏细菌或体细胞所释放出的耐热型蛋白酶、脂肪酶在完成加热后仍具有一定活力，可继续分解蛋白质和脂肪，造成牛奶品质的缓慢下降。因此，在保质期内储存时间越长的UHT乳，虽然卫生安全，却基本无新鲜可言。
另外，在热加工时，牛奶中蛋白质（β-乳球蛋白、酪蛋白等）的赖氨酸残基会与乳糖的羰基发生美拉德反应（Maillard Reaction），进而生成一系列使牛奶“褐变”的副产物。这不但影响了牛奶的外观，而且会降低乳蛋白、氨基酸的生物学价值，部分物质（如糠氨酸）还可能对人体有潜在的危害。
从牛奶热处理所产生的副产物含量来看，UHT乳远高于巴氏杀菌乳。因此，巴氏杀菌乳的营养价值确实比UHT乳更好。而且，由于超高温加热会使牛奶中的乳球蛋白、脂肪球膜蛋白产生巯基基团，乃至释放硫化氢等挥发物质，会导致UHT乳有一定的蒸煮味，而使用温和热处理法的巴氏杀菌乳的风味则更为纯正自然。
为了解决上述两种工艺中存在的突出问题，国际主流工艺包括超巴氏杀菌、微滤结合热加工技术等。采用陶瓷微滤膜，使用错流过滤对脱脂分离的牛奶进行过滤，再进行巴氏杀菌，不同试验的牛奶除菌率均达到了99.6%以上，即可在避免高温加工的前提下生产出延长货架期乳（ESL乳），保质期能够延长至20 天左右，且不会降低和破坏牛奶中的各营养成分。
2、超滤（UF）
适用于脱脂或低脂牛奶的澄清和浓缩，其孔径更小，一般在0.001至0.1微米之间，可以截留蛋白质、部分乳糖和矿物质，而让水分和乳糖等小分子自由通过，达到提高蛋白含量、降低水分的目的。
酪蛋白和乳清蛋白的分离
牛奶中的酪蛋白(CN)和乳清蛋白(WP)具有显著不同的加工特性，因此在乳品行业中二者经常被分离开来，用做不同的食品加工基料。分离出的酪蛋白(CN)具有良好的溶解性、热稳定性和酸碱稳定性，广泛应用于食品、医药和工业等领域。酪蛋白在食品工业中用作添加剂，医药领域中用于药物传递系统，工业领域中用作胶粘剂和涂料的成膜剂。分离出的乳清蛋白(WP)具有营养价值高、易消化吸收、含有多种活性成分等特点，是公认的人体优质蛋白质补充剂之一，可进一步生产制得浓缩乳清蛋白(WPC)、分离式乳清蛋白(WPI)、水解乳清蛋白(HWPI)等，用于婴幼儿配方奶粉等的生产。
牛乳中酪蛋白主要由四种不同的酪蛋白组成，即αs1-酪蛋白 (αs1-casein)，αs2-酪蛋白 (αs2-casein)，β-酪蛋白 (β-casein)和κ-酪蛋白 (κ-casein)。每种酪蛋白都由多个肽链组成，这些肽链之间通过键合相互连接，形成多肽链复合体，复合体粒径110nm左右。乳清蛋白中含有β-乳球蛋白、α-乳白蛋白、血清白蛋白、免疫球蛋白、乳铁传递蛋白以及乳过氧物酶等多种生物活性蛋白，粒径大约3-8nm。我们根据蛋白粒径的大小差异，选择合适的超滤膜对两种蛋白进行分离。
乳清蛋白浓缩
乳清蛋白(WP)占总乳蛋白的20%，牛乳中维生素和矿物质也都存在于乳清中。具有很高的营养价值。
浓缩乳清蛋白(WPC)是一种功能性乳蛋白配料，它广泛用于食品加工业，比如火腿、乳蛋糕、糖果、蟹肉棒、蛋糕、婴儿配方奶粉、运动饮料、配方营养饲料等。浓缩乳清蛋白(WPC)可增强免疫功能；有利于心血管系统的健康；提供婴儿的儿童母乳化的功能食品；有利于肌肉健壮和增强体力、提高运动效果；改善精神面貌、提高工作和学习效率；增强骨骼；有利于保健最佳体重；为乳糖不耐症、酪蛋白和谷蛋白过敏者提供优质蛋白；减少皮肤皱纹和光老化，促进伤口愈合；延年益寿。
生产浓缩乳清蛋白（WPC）采用超滤技术，渗透物中含有乳清大部分的乳糖、矿物质和水分。滞留物约占原料乳清体积的1-4%，根据需要可以将滞留物喷雾干燥制成蛋白质含量35-85%的浓缩乳清蛋白粉。
3、纳滤（NF）
孔径更小，约为0.001微米，主要用于去除乳糖或特定离子，保留蛋白质和矿物质，适合生产低乳糖或特定矿物质比例的牛奶产品。
原料乳的浓缩
纳滤膜技术具有选择性去除离子的性能优势，其效果介于超滤和反渗透之间。在乳品生产中，可以利用纳滤膜浓缩原料乳，增加牛乳中蛋白质和脂肪及固形物浓度。这一过程中，纳滤膜能够高效地截留乳糖和其他大分子物质，同时允许部分水和低价离子透过，从而实现原料乳的有效浓缩。这种浓缩方式不仅提高了牛乳的品质，还减少了后续加工过程中增稠剂的使用，有利于保持奶质结构的稳定。
乳清脱盐
在乳品生产过程中，乳清的处理是一个重要环节。乳清中含有大量的盐分和其他杂质，这些物质如果不加以处理，会影响最终产品的口感和品质。纳滤膜技术能够高效地去除乳清中的盐分和杂质，同时保留其中的有益成分，如钙离子等。纳滤膜技术能廉价除去一般甜乳清的盐味，能够降低甜乳清粉中的“咸味感”，能为乳清更彻底脱盐处理的电渗析和离子交换作好预备工作。去除HCl和乳酸，要注意其过滤速率比乳酸盐离子低，但比游离的乳酸分子要高。可用于加盐乳清的脱盐。这一特性使得纳滤膜技术在乳清除盐方面得到了广泛应用。
提高乳品质量和口感
通过纳滤膜技术处理牛乳，可以有效地去除其中的有害物质和杂质，提高乳品的安全性和卫生质量。同时，纳滤膜技术还能够保留乳品中的风味和营养物质，使乳品更加美味和营养。此外，纳滤膜技术还可以减少生产中的热处理对蛋白质的影响，从而进一步提高乳品的品质。
减少食品添加剂的使用
在乳品生产过程中，为了改善产品的口感和延长保质期，往往需要添加一些食品添加剂。然而，过多的食品添加剂可能会影响产品的品质和消费者的健康。纳滤膜技术通过浓缩和纯化牛乳中的有益成分，可以减少对食品添加剂的依赖，从而生产出更加健康、天然的乳品。
综上所述，纳滤技术在牛乳中的应用具有广泛的前景和重要的价值。它不仅能够提高乳品的品质和口感，还能够减少食品添加剂的使用和生产成本，为乳品行业的发展注入了新的活力。
4、反渗透（RO）
具有非常小的孔径，一般用于水的彻底净化，虽然在牛奶除杂中应用较少，但在特定情况下可作为深度脱盐或浓缩工艺的一部分。
目前国内乳品行业中牛乳的浓缩通常采用多效蒸发法，这种方法能耗高，较长时间的高温加热会破坏牛奶中的蛋白质,会加速美拉德反应。事实上,大多数企业采用多级闪蒸的方法浓缩牛奶,采用较高的温度(一般为90-120℃)会导致牛乳中酪蛋白、维生素氨基酸和乳糖等营养物质的破坏，特别是对免疫球蛋白等活性物质破坏,从而大大降低牛初乳的保健功效。采用反渗透膜分离工艺可在常温甚至低温下浓缩牛乳，能达到节能和防止营养成分被破坏的目的。
利用反渗透浓缩脱脂乳浓时发现,所有营养组分的截留率均在98%以上。反渗透膜在乳品行业有较好的优点,利用反渗透对脱脂乳浓缩可以最大程度地保留钙等营养成分,且产品具有较好的热稳定性。并且利用反渗透法浓缩牛奶中细菌的生长率与原奶中的几乎没区别，甚至所研究的五种细菌中的三种,在反渗透法浓缩奶中的生长比在原奶中还要缓慢。
我国牧区幅员广，产奶地点相对分散，交通不便，给鲜奶运输带来很大困难，如果能就地用膜分离技术加工或经浓缩后集中加工，可大大减少损耗，节省运输费用。
用反渗透膜浓缩牛乳，可明显降低运行成本，提升乳品的综合使用率，水能耗远低于蒸发工艺。牛乳膜浓缩设备运行操作简单，自动化程度高，对环境污染小，具有很高的分离效率，是当下和未来将更广泛应用的一种生产工艺。
四、技术优势与挑战
膜分离技术在乳制品行业中的应用具有多方面的优势，包括提高产品品质、延长保质期、降低生产成本等。然而，膜污染和通量衰减是该技术面临的主要挑战。通过不断的技术创新和优化操作条件，可以有效提高膜的抗污染性能和使用寿命。
随着膜分离技术的不断进步和应用领域的拓展，它在乳制品行业中的作用日益凸显。这一技术不仅提升了产品的品质和安全性，还促进了乳制品行业的现代化转型。膜分离技术的应用，是对传统工艺的尊重与创新，也是对消费者健康需求的深刻回应。膜分离的运用广泛，后续我们会继续探讨，大家也可以在评论区留言交流膜分离的未来发展，以及它如何更好地服务于人类对健康和美味的追求。
