牛奶与乳清分级分离

乳清加工

乳清是奶酪 、干酪素和酸奶生产过程中产生的液态副产品，是目前全球最大的食品蛋白质来源之一。乳清约占加工原奶总体积的80%-90%，并保留了原奶中约50%的营养成分：包括可溶性蛋白、乳糖、维生素和矿物质。

通过微滤技术可从牛奶中提取乳清，并采用超滤技术进行进一步分离——既可收获高价值的乳清蛋白成分，又能生成以乳糖、矿物质及部分酸类为主的次级产物乳清渗透液。最新研究表明，乳清蛋白无疑是当前最具营养价值的蛋白质来源。正因如此，运动营养、临床医疗及婴幼儿营养等市场正在推动乳制品行业迎来前所未有的投资热潮。乳清富含多种天然 优 质 成分，包 括高凝胶性的β-乳球蛋白、类母乳蛋白α-乳白蛋白、乳铁蛋白、免疫球蛋白，以及益生元低聚半 乳糖（GOS）的前体物质。这些特性使乳清成为当今最具价值的营养源之一。

由硬质、半硬质或软质奶酪以及酶凝干酪素生产过程中产生的副产品乳清，称为甜乳清，其pH值为5.9-6.6。由农家奶酪等鲜奶酪生产过程中产生的副产物乳清，称为奶酪酸乳清，其pH值约为5。采用矿物酸沉淀法生产干酪素时，产生的酸乳清pH值在4.3-4.6之间。表18.1显示了来自奶酪和酪蛋白生产的乳清的近似组成数据。

乳清常常被水稀释。上述数据针对的是未稀释的 乳清。非蛋白氮（NPN）的组分构成中，约30%为尿素。其余部分则由氨基酸和肽段组成（其中包括凝乳酶作用于酪蛋白所产生的糖巨肽）。表18.2列出了一些乳清及乳清产品的应用领域。

膜过滤与色谱分离技术的进步，为乳清分离成高纯度蛋白质和乳糖产品的商业化生产提供了经济可行的工艺支撑，使终端用户能够充分利用各类乳清组分的不同功能特性。随着研究不断发现乳清的新生物活性特性，以及消费者对乳清营养价值的认知日益深入，这一发展趋势预计将持续深化。

图18.1的框图展示了乳清处理及其终端产品生产的各种工艺流程。首要阶段是过滤残留在乳清中的凝乳颗粒，随后分离脂肪和酪蛋白细微颗粒（图18.2），此举既是为了提高经济收益，也是为了避免这些成分干扰后续工序。

传统上，乳清固形物的加工一直以生产乳清粉、脱乳糖乳清和乳糖为主。然而，随着乳清蛋白需求的增长，目前约50%的乳清固形物被用于生产浓缩 乳清蛋白（WPC35–80）、分离 乳 清 蛋白（WPI）以及乳糖和渗透物等相关产品。乳清已彻底从昔日的废弃副产品转型为极具价值的营养原料。本章将阐述当前应用中的部分产品。

图18.1 乳清加工方案

不同的乳清与牛奶加工步骤

与牛奶类似，乳清在接收后或从奶酪凝乳中分离时需立即进行加工处理；因其温度和成分为细菌生长提供了条件，会导致蛋白质分解并形成乳酸。

建议对牛奶和乳清进行冷却，从接收、储存到后续处理需遵循相似的步骤——净化、脂肪分离、巴氏杀菌以及冷却以待进一步加工。

乳清与牛奶的预处理

牛奶与乳清中的脂肪通过离心分离机进行回收

离心分离工艺——如净化分离固体杂质、离心除菌去除芽孢和部分细菌及脂肪分离——通常在40-50℃的温热条件下进行，这个过程通常是在巴氏杀菌步骤在线使用热回收板式换热器完成。

在牛奶加工中，脂肪分离机通常是流程的标准配置。在奶酪生产中，奶酪用奶一般也使用脂肪分离机，并可选择增加离心除菌步骤。反之，从奶酪中获取乳清时，其处理流程通常包括：粗滤、细颗粒澄清、脂肪分离，并常会配置反渗透组件（见图18.3）。

乳清奶油脂肪含量仅25-30%，低于奶油的40%，可部分回用于标准化奶酪乳脂肪比例。回用前必须灭菌，以彻底灭活酶、细菌和噬菌体。这样一来，可将节省下来的新鲜奶油转作特种奶油制品。此法通常只适用于马苏里拉等短熟成期奶酪；成熟期越长，脂肪酶解带来的酸败风险越高。应定期中断回流循环，避免游离脂肪酸等未被凝乳网络截留的杂质累积。由于发酵剂对噬菌体敏感等因素，奶酪生产者可能选择不回用乳清奶油。此类情况下，可将乳清奶油直接加工成乳清黄油。

乳清酪蛋白细粉回收与脂肪分离

图18.2 干酪生产厂的乳清处理流程示例

凝乳颗粒形式的酪蛋白细颗粒始终存在于乳清中。它们对脂肪分离有不利影响，因此应首先去除。可采用多种分离设备，例如粗滤器或离心分离机（图18.2）。

收集的细颗粒通常采用与干酪相同的压榨方式处 理，后续可用于再制干酪生产。

若干酪厂将乳清奶油回用于奶酪乳标准化，还可通过均质化处理收集的酪蛋白残留物，将其与乳清奶油一同（经灭菌后）重新引入奶酪乳标准化工序。这样便可节省出等量的牛奶酪蛋白，用于生产其他乳制品或提高干酪产量。但需注意，该工艺的应用可能受现有专利限制，具体取决于所在国家及采用的处理方法。

值得一提的是，在生产新鲜干酪和低脂半硬质干酪时，对部分脱脂乳清进行超滤以获取乳清浓缩 物，往往能获得不错的效益。随后，通过热变性处理与机械剪切控制蛋白质聚集体尺寸，完成乳清蛋白的微颗粒化加工。将所得乳清蛋白微粒添加至奶酪乳标准化环节，可改善干酪特性（如含水量）。微颗粒化过程中的加热强度需足以灭活酶类、细菌及噬菌体。

巴氏杀菌与冷却

在进一步加工前需储存的牛奶和乳清，必须在去除脂肪和细颗粒后立即冷却或巴氏杀菌并冷却。

通常的做法是利用乳清余热加热工艺用水。随后将该温水用于预热巴氏杀菌机或牛奶加热器中的奶酪乳。从而实现乳清热能向奶酪乳的转移。由于牛奶加热和乳清冷却并非一直连续同步发生，水在两工序之间被收集于热回收储罐中。储罐内形成温度分层（乳清冷却器热水浮于牛奶加热器冷水之上），可在热能暂时无法被牛奶吸收时，实现乳清余热的临时储存。

短期贮存（<8小时）时，冷却至<5℃即可有效抑制细菌活性。但用于婴幼儿配方奶粉与运动营养品等高端产品时，添加牛奶与乳清时，必须在去除脂肪与细颗粒后立即进行巴氏杀菌。该工艺被广泛推 荐采用，以满足日益提高的产品质量要求。

图18.3 乳清中的细颗粒与脂肪分离

1. 粗滤器
2. 乳清收集罐
3. 乳清澄清机
4. 乳清奶油分离机
5. 乳清巴氏杀菌机
6. 反渗透组件

总固形物浓缩

浓缩

牛奶与乳清的浓缩初始阶段通常采用反渗透（RO）技 术：牛奶干 物质含量可从9%提升至1430%，乳清干物质含量则从约6%提升至18-28.5%（可单独使用RO或结合纳滤（NF）实现）。经反渗透预处理后，乳清可转运至异地进一步加工（如蒸发干燥），也可直接在本厂完成。

在实际应用中，当干物质含量超过30%时，通常采用机械蒸汽再压缩（MVR）蒸发器对牛奶和乳清进行深度浓缩。此阶段MVR技术可使牛奶浓缩物的总固形物（TS）浓度达到48-51%，而乳清浓缩物的总固形物（TS）含量可从20%提升至45-65%。

蒸发完成后，浓缩牛奶直接送入喷粉干燥塔，乳清则需迅速闪冷至30-40℃以诱导乳糖晶体成核。乳清浓缩物随后在特别设计的结晶罐中边搅拌边进一步冷却。该浓缩物需在结晶罐内停留4-8小时，以达到特定的乳糖结晶度，确保喷粉干燥后获得低吸湿性产品。

有关反渗透与蒸发器技术的更多细节，请参见第7.4和7.6章。

干燥

牛奶与乳清采用相似的干燥工艺，即采用滚筒干燥机或喷粉干燥塔（具体参见第19章《奶粉和乳清粉原料》）。

采用滚筒干燥工艺存在明显缺陷：不仅会劣化奶粉的功能性与速溶性，且干燥后的乳清层难以从滚筒表面刮离。因此，需在干燥前向乳清中添加小麦或黑麦麸皮等填充剂，以改善干燥产物的剥离效果。

目前，喷粉干燥已成为牛奶与乳清最主流的干燥方式。奶粉产品通常在蒸发与干燥前通过添加乳糖或牛奶渗透液实现蛋白质标准化。乳清浓缩物在干燥前需经蒸发、闪冷及结晶处理，形成细微乳糖晶体，从而获得低吸湿性产品（吸收水分后不易结块 ）。

农家奶酪与酪蛋白生产产生的酸乳清因乳酸含量高而难以干燥，易在喷粉干燥塔内形成结块。通过中和处理并添加脱脂奶、谷物制品等辅料，可有效改善其干燥特性。

固体成分的分离

蛋白质分离与浓缩

早期主要采用热凝固、酸沉淀或两者组合等多种沉淀技术分离牛奶与乳清蛋白。如今，除沉淀与特异性结合技术外，还广泛采用膜分离（分馏）与色谱纯化工艺。

根据Fink与Kessler（1988）的研究，所有可变性乳清蛋白组分的最大变性率可达90%。约占该组分10%的蛋白胨被视为不可变性成分。

通过色谱与膜分离技术，并结合精控喷粉干燥，可从牛奶和乳清中高效分离出蛋白质。经膜分离或离子交换获得的乳清蛋白展现出优异的功能特性，包括溶解性、起泡性、乳化性及凝胶性。 

超滤蛋白浓缩

脱脂奶干物质中蛋白质含量约为35%，而乳清干物质中蛋白质含量约为13%。浓缩乳清蛋白（WPC）通过对乳清超滤获得的浓缩保留液进行干燥制得，其蛋白质含量范围为35%-80%（以干物质百分比计）。为使液态乳清达到与脱脂奶相当的蛋白质含量，需通过超滤将其浓缩至约9%的干物质浓度（其中乳清蛋白占比35%）。浓缩乳清蛋白具有优异的氨基酸谱，其中有效赖氨酸与半胱氨酸的比例尤为突出。

示 例：每 100kg乳清经超滤浓缩约6(5.88)倍时，产出约17kg浓缩保留液和83kg渗透液。表18.3展示了原料（乳清）及其对应的WPC35保留液与渗透液的成分组成。

图18.4所示为采用超滤技术生产干燥浓缩乳清蛋白的工艺流程线。该工艺中高达95%的乳清以渗透液形式回收，而干燥成品中的蛋白质浓度（按干物质含量计算）可达80-85%。

根据表18.3数值计算的干物质蛋白质占比如下：

浓缩过程中，绝大部分真蛋白（通常>99%）与近100%的脂肪被截留。乳糖、非蛋白氮及灰分在保留液乳浆与渗透液中的浓度通常与原始乳清一致，但文献报道这些组分存在轻微截留。

如第7.4章《膜技术》所述，总体截留率取决于以下因素：

• 膜类型
• 膜通量
• 原料特性

为获得蛋白质含量超过80%的浓缩物，液态牛奶与乳清需经超滤处理：生产MPC85（牛奶蛋白/胶束酪蛋白浓缩物）时，固形物含量需达到12-18%，而生产WPC80（浓缩乳清蛋白）时固形物含量需达27-32%。

通常，生产WPC35时与牛奶及MPC工艺一样，需在喷粉干燥前使用蒸发器进行预浓缩。如要生产蛋白质浓度高于60%（以干物质计）的WPC产品，为减少热损伤，将采用纳滤替代蒸发步骤，使干燥前物料干物质浓度>35%。

表18.4展示了典型牛奶蛋白浓缩物（MPC）、胶束酪蛋白浓缩物（MCC）粉末及分离乳清蛋白（WPI）的成分组成。

图18.4 采用超滤技术回收干燥蛋白浓缩物的工艺流程

1. 超滤单元
2. 超滤渗透液缓冲罐
3. 乳清保留液缓冲罐
4. 蒸发器
5. 喷粉干燥塔
6. 装袋机

蛋白质分离与浓缩——微滤（MF）

图18.5 由脱脂奶生产天然乳清、WPI 及（牛奶）超滤渗透液的工艺流程

1. 微滤设备
2. 微滤保留液收集罐
3. 带洗滤的超滤设备
4. 渗透液反渗透-纳滤设备
5. 浓缩渗透液收集罐
6. WPI与MCC收集罐
7. 超滤设备
8. WPI与MCC高浓度膜设备
9. 反渗透/精处理设备
10. 储水罐
11. WPI与MCC预热器
12. 喷粉干燥塔
13. 装袋机

分离乳清蛋白（WPI）因其干物质中蛋白质含量超过92%，正迅速应用于健身补剂等领域。在这些应用中，脂肪及其他非蛋白质成分被视为不利因素。此外，WPI还被用于替代蛋清，制作如蛋白酥等打发产品，并在食品及酸性果汁饮料中作为重要成分发挥作用。

微滤技术的进步显著提升了产品品质与经济性，其工艺从传统的热陶瓷过滤发展为近年兴起的“冷”有机螺旋卷膜式过滤。

通过微滤脱脂奶，可制得原生分离乳清蛋白（WPI）。保留液为牛奶胶束酪蛋白浓缩物（MCC），渗透液即为“理想”或“天然”乳清。对该微滤渗透液进行超滤浓缩，即可得到牛奶源WPI；由于整个制备过程不涉及传统干酪工艺中的凝乳酶、发酵剂或酸处理，其独特性质正日益受到市场关注。因此，牛奶源WPI不含糖巨肽（GMP），乳酸含量与天然水平一致，可避免发酵剂酶导致的蛋白降解，并降低噬菌体相关风险。

如图18.5所示，工艺流程始于脱脂奶的微滤（1），旨在将酪蛋白（产出微滤保留液）与微滤渗透液（称为理想乳清或天然乳清）分离，该渗透液含有乳清蛋白、乳糖、非蛋白氮（NPN）及灰分。随后采用带洗滤功能的超滤设备（3）将乳清蛋白（超滤保留液）与乳糖、灰分和NPN（超滤渗透液）分离，从而得到干物质中蛋白含量>90%的蛋白富集液。储存后（6），超滤保留液可进一步浓缩至36-37%干物质浓度（8），并经预热（11）以获得特定功能特性后干燥（12），最终产品水分含量不高于4%。

富含酪蛋白组分的微滤保留液（2）可通过超滤（7）进一步加工为胶束酪蛋白浓缩物（MCC）。以液态形式使用时，可添加至干酪等需强化酪蛋白的各类产品中。或者经高浓度浓缩（8）与加热（11）后干燥（12），制 得 MCC粉末。有时超滤设备（7）会置于微滤设备之前，形成“先脱脂奶超滤生产MPC、再进行微滤”的流程，可减小微滤设备规模。表18.4提供了牛奶WPI与MCC粉末的成分示例。

如图18.6所示，用于生产干物质蛋白含量>90%的WPI的干酪乳清蛋白浓缩物脱脂工艺同样需要微滤步骤。微滤保留液干燥后即为高脂浓缩乳 清蛋白（WPC）粉。通常，以干物质蛋白含量约35%的 乳清超滤保留液作为微滤进料时，脂肪含量可从7%以上降至0.4%以下。微滤同时将脂肪球膜和大部分细菌浓缩于微滤保留液中，该保留液被单独收集和加工；有时该保留液与WPI在同一干燥器中干燥，即可得到高脂WPC70粉。脱脂后的微滤渗透液则进入后续超滤装置进行浓缩以生产WPI，此阶段同样包含细滤功能。

图18.6显示，经预处理的乳清（1、2和3）被泵入 超滤设备（5），浓缩至干物质蛋白含量约35%。保留液被泵送至微滤设备（6），而渗透液则进入收集罐。

反渗透浓缩与冷却

微滤保留液（含绝大部分脂肪与细菌）被单独收集；脱脂后的渗透液进入后续超滤-渗滤单元（7）。所得WPI保留液再经纳滤（8）进一步浓缩至35-37%干物质，随后喷雾干燥，使水分含量降至不超过4%，便于包装。

变性乳清蛋白的回收

通常，乳浆蛋白或乳清蛋白无法通过凝乳酶或酸沉淀。但若先经热变性处理，则可通过酸法沉淀乳清蛋白。该工艺分为两个阶段：

• 通过热处理与pH调节相结合使蛋白质沉淀（变性）；
• 通过离心分离实现蛋白质浓缩。

图18.6 乳清蛋白保留液脱脂工艺流程

1 巴氏杀菌机
2 乳清澄清机
3 分离机
4 保温罐
5 首次超滤设备
6 微滤脱脂设备
7 带洗滤功能的超滤设备
8 纳滤设备

变性乳清蛋白可在凝乳前添加至奶酪乳中，随后其将滞留于酪蛋白分子凝固形成的网格结构内。这一发现推动了沉淀分离乳清蛋白方法及产量优化技术的深入研究。多国法律禁止在干酪中添加变性乳清蛋白，此规定也适用于某些特定类型的干酪。无论是通过添加(变性蛋白)还是采用高温巴氏杀菌导致的蛋白质变性，都会影响奶酪的得率和成熟过程。图18.7展示了变性乳清蛋白生产的离心工艺路线。经pH调节后，乳清通过缓冲罐（1）泵入板式热交 换器（2）利用热量回收进行加热，随后经直接蒸汽 喷射（3）升温至90-95℃，并 在 管 式保 温段（4）停留3-4分钟。此段工艺中通过加酸来降低pH值。热可变性蛋白在管式保温段（4）内60秒完成沉淀。

经热回收冷却至40℃后，沉淀蛋白通过排渣式乳清澄清机（6）从液相分离。乳清澄清机约每3分钟排出一次浓缩度为12-15%的累积蛋白（其中蛋白含量约8-10%），该 工 艺 可 回 收 90-95%可凝固蛋白。如图18.2所示的微颗粒化是另一种实现方式。

向奶酪乳中添加浓缩乳清蛋白（主要用于生产软质与半硬质干酪）对凝乳特性影响轻微，且所得凝乳结构较传统方法更细腻均匀。经处理的乳清蛋白亲水性高于酪蛋白。据报道，卡芒贝尔干酪生产得率提升了12%。

色谱层析法蛋白分离与精制

乳清（乳浆）蛋白可通过分离及纯化技术，获得α-乳白蛋白、β-乳球蛋白及乳铁蛋白等组分。该过程通过调节pH值、盐浓度和温度，利用蛋白质溶解性与电荷特性来实现。

举例而言，乳铁蛋白可从牛奶或乳清中提取，其详细过程将在图18.16及“脱盐离子交换色谱”部分中进一步阐述。为获得最高得率，从未经巴氏杀菌的脱脂奶中提取乳铁蛋白，使未变性的乳铁蛋白分子结合到色谱柱上。在此过程中，含乳铁蛋白的牛奶流经色谱柱以收集蛋白。乳铁蛋白分子与柱内离子交换树脂（固定相）结合，流出柱体的即为已去除乳铁蛋白的脱脂奶。

随后用盐水冲洗柱内离子交换树脂，即可收集被吸附的乳铁蛋白。收集到的溶液（洗脱液）再经超滤等额外过滤步骤，以去除杂质并浓缩蛋白。最终通过干燥获得乳铁蛋白粉末。

图18.7 变性乳清蛋白回收工艺

1. 乳清收集罐
2. 板式热交换器
3. 蒸汽喷射器
4. 保温管
5. 酸液罐
6. 乳清澄清机
7. 变性乳清蛋白收集罐

超滤渗透液、乳糖分级与浓缩

牛奶与乳清超滤渗透液

生产MPC、WPC及WPI过程中得到的超滤渗透液可经喷雾干燥，或用下述方法生产乳糖。

目前，针对乳清或脱脂奶超滤渗透液的进一步处理，主要有以下几种选择。只有牛奶超滤渗透液和乳糖可用于奶粉蛋白质标准化。

乳糖和渗透液粉的制造工艺见图18.8及第19章《 奶粉和乳清粉原料》。

图18.8 牛奶与乳清超滤渗透液的典型利用方案

乳糖回收

脱脂奶固形物中乳糖占比>50%，乳清干物质中乳糖占比更高达70%以上，所以乳糖是这两种产品的主要组分。乳清（非牛奶）的回收有两种基本方法，具体取决于原料：

• 乳糖在未经处理但浓缩的乳清中结晶
• 乳清先经超滤或其他方法去除蛋白，再浓缩结晶

两种方法均会产生母液（糖浆），可干燥后用作饲料。若对糖浆进行脱盐并添加优质蛋白，可显著提升其饲用价值。

图18.9 卧螺离心机

1. 进料口
2. 液相出口
3. 固相出口

结晶

结晶周期由以下因素决定：

•  可供晶体生长的表面积
• 溶液纯度
• 过饱和度
• 温度
• 粘度
• 溶液中晶体的搅拌强度

其中多项因素相互关联，例如过饱和度与粘度。图18.10展 示了乳糖生产工艺流程。乳清/超滤渗透液先经蒸发浓缩至60–62%干物质，随后送入结晶罐（2）并加入晶种。亦可使用经脱盐、脱钙的纳 滤渗透液，蒸发至65%总固形 物，再送 入结晶罐，按预设时间-温度程序缓慢结晶。结晶罐带冷却夹 套及温控装置，并配备专用搅拌器。结晶完成后， 晶浆送入卧螺离心机及筛网离心机（3）实现晶体分 离，再经流化床干燥（4）成粉。经锤式粉碎机研磨 与 筛分后，乳糖进行包装（5）。为了简单高效地从 母液中将乳糖晶体分离出来，须确保晶体尺寸超过 0.2mm，晶体颗粒越大分离效果越好。

图18.10 乳糖生产工艺流程

1. 蒸发器
2. 结晶罐
3. 卧螺离心机
4. 流化床干燥器
5. 包装机

结晶程度主要取决于β-乳糖向目标α-乳糖的转化量，因此必须精确控制并优化浓缩液的冷却过程。

乳糖分离

可采用多种离心机分离乳糖晶体。其中，卧螺离心 机（图18.9）可连续运行，并配备螺旋输送机用以卸料。通常采用两台机器串联作业。第一台离心机分离 出的乳糖进入第二台进行精分，以提高分离效率。分离过程中通过洗涤去除杂质，从而获得高纯度乳糖。经两段分离后，乳糖残留水分<9%，纯度（以干物质计）约达99%。

干燥

分离后的乳糖需进行干燥，使残留“游离”水分降至0.1-0.3%（ 具 体 取 决 于 产 品 用 途 ）。干燥温度不得超过93℃，以免高温促使β-乳糖生成，同时需严格控制干燥时间。若干燥过快，α-水合晶体表面易形成无定形乳糖薄层，可能导致后续结块。干燥通常在流化床干燥器中进行，工艺参数控制在92℃，持续15-20分钟 。干燥后的乳糖 由 30℃气流输送并同步冷却。晶体通常在干燥后立即研磨成粉末，并进行包装。

乳糖精制

某些应用领域（如制药工艺）要求乳糖具有更高纯度或极白的色泽。乳糖精制还能提升整体工艺得率。在传统药用乳糖生产工艺中，需将离心机所得含60%干物质的乳糖重新溶于pH4、近100℃的软化水中，随后加入活性炭与助滤剂进行混合。经过滤后溶液进行重结晶与离心分离，再经干燥、粉碎和包装。该工艺需配置双套设备以实现连续生产，且活性炭与助滤剂均一次性消耗后废弃，成本高昂。

采用连续除钙与核黄素去除（乳清发黄的主要原因）的可再生活性炭柱工艺，可更经济地生产精制白色乳糖。仅需增加额外的倾析与洗涤步骤，即可获得药用级乳糖。

渗透液粉

除制备乳糖外，超滤渗透液还可加工成渗透液粉。相关工艺见“总固形物浓缩”章节示例图18.11及第19章《奶粉和乳清粉原料》。当不需要高纯度乳糖且可接受渗透液中的灰分时，渗透液粉在动物饲料和食品领域的需求持续增长。该方案资本投入较低，不存在母液处置难题，且乳糖收率接近100%。

牛奶和乳清超滤渗透液可参照本章开头“总固形 物浓缩”所述，先经反渗透-纳滤（1）浓缩至2025%干物质，再用单效机械蒸汽再压缩蒸发器蒸发并闪冷（2），引发乳糖自发成核形成微小晶体；随后在专用结晶系统（3）内于受控温度下继续结晶，使乳糖结晶度达到>75%。约4-6小时后，已结晶的渗透 液送入喷粉干燥装置（4）。部分干燥机设计可促进 剩余乳糖的后结晶（>95%），得到自由流动、不吸收水分的成品。产品随后暂存（5）最多6小时，再装入25kg袋或粉罐车。

另有替代工艺可将渗透液浓缩至>80%干物质，并在干燥前实现连续结晶。需注意，为改善高粘度浓缩液流动性而采用的高温可能劣化产品质量（尤其色泽与风味），故应审慎选择工艺温度。

图18.11 渗透液加工工艺流程

1. 浓缩渗透液储罐
2. 渗透液蒸发器
3. 结晶系统
4. 渗透液后结晶喷粉干燥塔
5. 渗透液粉储仓

乳清及超滤渗透液的脱盐处理

原生乳清、特别是干酪乳清及超滤渗透液含盐量较高（以干物质计约8-12%），限制了其在人类食品中的应用。经脱盐处理后，可部分（25-30%）或高度（90-95%）脱盐，从而在食品及婴幼儿食品领域获得多元应用。

例如，部分脱盐乳清浓缩物可用于制作冰淇淋、烘焙制品，甚至夸克干酪；高度脱盐乳清浓缩物或粉末则适用于婴幼儿配方粉及更多品类。

脱盐原理

脱盐旨在去除无机盐，同时适度降低乳酸盐、柠檬酸盐等有机离子含量。

部分脱盐主要采用专为“泄漏”纳米级（10-9m）颗 粒而设计的错流膜，即纳滤（NF）。

高度脱盐则依靠以下两种技术之一：

• 电渗析
• 离子交换

纳滤部分脱盐

采用特制的“疏松”反渗透膜，使单价离子（如 Na+、K+、Cl-）及小分子有机物（尿素、乳酸）随水相渗透液透过膜。这种膜工艺亦称超渗透、“疏松”反渗透（RO）或纳滤（NF）。

新型装置多采用结构更紧凑的螺旋卷式膜。相关膜技术细节参见第7.4章《膜技术》及第2章中的图2.12、图 2.13“渗透与反渗透原理”。

表18.6列出了典型甜乳清组分在纳滤过程中的透过率数据。

备注：*根 据所选纳滤膜型号及供应商不同，乳酸与柠檬酸的去除率可达30%左右。

如 表所示，甜乳清中的氯离子含量可降低高达70%，而 钠 、钾离子降幅为30-35%。这种离子去除差异的原因在于必须保持正负离子的电化学平衡。

乳清纳滤的一个关键点是：乳糖的泄漏必须控制在<0.1%，以免废水（渗透液）因高BOD（生化需氧量）带来问题。乳清加工中可考虑安装纳滤设备的场景包括：

• 作为低成本方案，减弱普通甜乳清及超滤渗透液粉的咸味；
• 作为电渗析和离子交换深度脱盐前的预处理步骤；
• 用于盐酸或乳酸法酪蛋白乳清及超滤渗透液的酸去除——注意，乳酸根离子渗透率较低，而游离乳酸分子渗透率较高（见表18.6）；
• 用于咸乳清（如切达干酪盐析排放液）的降盐处理。

高度脱盐

电渗析

电渗析是指在直流电（DC）与外加电势的驱动下，离子穿过非选择性半渗透膜发生迁移的过程。所用膜同时具有阴、阳离子交换功能，因此电渗析可降低工艺液体（如盐水、乳清或超滤渗透液）的矿物质含量。

如图18.12所示，膜堆两端的电极各设有独立的冲洗通道，循环酸化液以保护电极免受化学侵蚀。

处理乳清时，乳清进料与酸化盐水交替流经各室，其结构类似板式换热器或板式超滤模块。图18.12为电渗析装置示意图。该装置由交替排列的阴、阳离子交换膜分隔成若干隔室，膜间距约1mm或更小。两端隔室设电极，一对电极之间可多达200组膜对。

图18.12 电渗析用膜堆组件

Ａ＝阴离子＝带正电荷
C＝阳离子＝带负电荷
DC＝直流电

工作原理

电渗析膜堆中的交替隔室分别充当浓缩室与稀释室。乳清或超滤渗透液循环通过稀释室，5%盐水载体溶液则循环通过浓缩室。

如图18.12所示，当直流电（DC）作用于膜堆时，阳离子趋向阴极迁移，阴离子趋向阳极迁移。然而，离子无法完全自由迁移——离子交换膜会对同种电荷离子形成阻隔。阴离子可穿透阴离子膜但被阳离子膜阻挡，阳离子可穿透阳离子膜但被阴离子膜阻挡。最终导致稀释室内产品（乳清/超滤渗透液）中的离子被持续抽离，从而实现脱盐。脱盐程度取决于产品灰分含量、在膜堆中停留的时间、电流密度及流体粘度。电渗析装置可采用连续或间歇模式运行。间歇系统（常用于脱盐率>70%的工况）通常配置单级膜堆，工艺液体（产品）循环处理直至达到目标灰分水平。该含量可通过监测工艺液体的电导率来确定。在10-15℃下实现90%脱盐时，间歇系统的停留时间可达2-3小时。为优化设备利用率与能耗，建议将产品预浓缩至20-30%干物质。进入电渗析单元前的产品（乳清/超滤渗透液浓缩物）需经净化处理。

由于工艺过程中液体会升温，需设置冷却段以维持温度。连续式装置采用五级串联膜堆，停留时间可缩短至10-40分钟，但其最大脱盐率通常限制在60-70%。就处理能力而言，连续式装置的膜面积配置远大于间歇式。

电渗析装置易于实现自动化，并可配备程序化原位清洗系统。标准清洗流程包括：水冲洗、碱性溶液清洗（最高pH值为9）、二次水冲洗、盐酸清洗（pH值为1），以及最终水冲洗。一个典型的清洗周期需要约100分钟。

供电及自动化

电渗析装置采用直流电供电，该装置应具备0-185安培电流调节与0-400伏特电压调节功能。

生产过程中需对以下参数进行监控与调节：电压、流量、温度、电导率、工艺用水及产品的pH值、产品入口压力、膜堆间压差、电流以及各膜堆的端电压。

电渗析中的限制因素

在乳品加工中应用电渗析的主要限制在于膜、隔网与电极的更换成本，此项约占设备总运行成本的35-40%。膜发生结垢就需要更换，结垢的成因包括：

• 磷酸钙在阳离子交换膜表面的沉淀
• 蛋白质在阴离子交换膜表面的沉积

第一个问题可通过优化膜表面流畅设计并结合定期酸洗解决。蛋白质沉积是阴离子膜寿命缩短的主因，这一问题的根本在于：在乳清正常pH值下，乳清蛋白可视为大分子负离子（阴离子），在电场作用下向阳极迁移。这些分子因尺寸过大无法穿透阴离子交换膜，最终在乳清隔室侧的阴离子交换膜表面形成蛋白薄层。采用极性反转等技术可清除此类沉积物。

尽管频繁的高pH值碱洗可去除大部分沉积物，仍建议每2-4周拆解膜堆进行人工清洗。电渗析加工成本高度依赖脱盐率。脱盐率从50%逐步提升至75%和90%时，每提高一档，单位成本翻倍。这意味着将每公斤产品固形物脱盐至90%的成本是脱盐至50%的四倍，因为90%脱盐率下设备处理能力会下降。

脱盐装置的运行成本包括水处理、电力、化学品及蒸汽消耗，其中废水处理费用尤为高昂。生产过程中，90%脱盐率下乳糖损失达7-10%，且从乳清中去除的磷酸盐也会富集于废水流中。电力成本约占加工总成本的10-15%，工艺所用化学品（主要是盐酸）成本占比不足5%。用于产品预热的蒸汽成本及工艺控温的冷却成本占比10-15%，具体数值取决于脱盐率。

电渗析最经济的脱盐率为低于70%，在此范围内较离子交换法更具竞争力。

离子交换

与基于连续电化学原理从溶液中去除可电离固形物的电渗析不同，离子交换工艺采用树脂颗粒吸附溶液中的矿物质，并以树脂自身离子进行交换。树脂的吸附能力有限，当它们充分饱和时，必须去除所吸附的矿物质并对树脂进行再生方能重复使用。树脂通常装填于设计合理的固定柱内。

离子交换树脂属大分子多孔塑性材料，工业应用中通常制成直径0.3-1.2毫米的球状颗粒。其化学特性表现为不溶性酸或碱，即使转化为盐类仍保持不溶。离子交换树脂的主要特性在于，其所含可移动离子能与溶液中同电荷离子进行交换。以氯化钠（NaCl）去除过程为例，反应式中R代表结合在不溶树脂上的交换基团。

上述反应写成可逆平衡式，因为反应方向取决于液相与树脂固相中的离子浓度。该平衡以常数为特征参数。当吸附钠的离子交换树脂经4%盐酸溶液处理再生时，反应逆向进行。

酸液中高浓的氢离子能使上述反应的平衡向左移动。

反应常数取决于离子种类，由此形成了离子交换过程的选择性。一般而言，多价离子选择性高于单价离子；同价离子中，离子半径越大，选择性越高。乳品加工流程中典型阳离子的选择性顺序为：Ca²+>Mg²+ >K⁺>Na⁺。

阴离子交换选择性顺序为：柠檬酸根³^->HPO₄^2–>NO₃^–>Cl^–。

实践中，如图18.13所示，经含多离子液体饱和后的离子交换器会沿柱长呈现不同形态分布。该图展示原水在H⁺型阳离子交换柱中的离子分层分布，并同步呈现酸再生后的状态。此时可见Na⁺在阳离子交换柱中滞留时间最长，这可由前述选择性顺序解释。观察图中饱和阳离子交换柱可知，离子的分层分布意味着Na⁺首先泄漏，随后为Mg²⁺和Ca²⁺。若离子交换器未完全再生，耗尽阶段初期可能出现离子泄漏，但随后Na⁺离子将被H⁺离子洗脱替代（见图18.13）。离子交换剂下部的状态决定了工艺液中离子的泄漏情况。

图18.13 阳离子交换树脂床酸再生前后状态示意图

离子交换树脂特性

现代工业用离子交换树脂以聚合物为基体构成多孔网状结构。常见材料有聚苯乙烯/二乙烯基苯和聚丙烯酸酯。功能性基团通过化学键合固定于该骨架上，典型基团包括：

强酸/强碱型交换剂在0-14的pH值范围内均能完全电离。而弱酸/弱碱型交换剂仅在特定pH值区间内具有活性。弱酸型阳离子交换剂通常不能用于pH值在0-7的范围，因为羧基在此条件下主要以游离酸的形式存在，这由解离常数（通常表示为pKa=解离常数的负10对数）所决定。当pH值高于pKa时，羧基转为盐形式方可参与离子交换。与之相反，弱碱型阴离子交换剂仅适用于pH值为0-7的酸性环境。

从再生便利性考量，应优先选用弱型树脂。其再生仅需理论酸/碱用量的10-50%，而强型树脂需比理论用量多出3-4倍。按经典脱盐流程，采用氢型强酸阳离子交换剂与游离碱（羟基）型弱碱阴离子交换剂联合使用。不能用弱酸阳离子交换剂替代强酸型，因为羧基所结合的氢与阳离子交换的平衡极为有利，导致再生困难。

离子交换剂的其他重要特性（此处不展开讨论）包括：

• 离子交换容量
• 膨胀特性
• 机械强度
• 床层反冲流化特性
• 压降
• 流速限制
• 再生后水冲洗要求

离子交换脱盐工艺

离子交换脱盐是长期应用的成熟工艺。乳清及超滤渗透液在成分上并非均质产品。酸法酪蛋白/干酪用凝乳产生的乳清pH值为4.3-4.6，而甜乳清pH值为6.0-6.6。两者除酸化介质不同外，主要区别在于酸乳清中磷酸钙含量较高。实践中通常以阳离子作为计算乳清盐负荷的基础，因阴离子（如柠檬酸盐、磷酸盐）会参与蛋白水解反应，导致各具体离子含量计算复杂化。甜乳清与酸乳清的典型阳离子含量数据分别列于表18.1与表18.7。

由此可将乳清界定为高盐负荷液体，该特性导致其离子交换循环周期较短。若再生化学品未回收利用，将导致再生成本升高。

常规离子交换脱盐工艺

图18.14所示为采用离子交换的简易脱盐装置。乳清首先进入已转为H+型的强酸阳离子交换柱，随后进入填充有游离碱型弱碱阴离子交换剂的交换柱。离子交换柱分别采用稀盐酸与氢氧化钠（或氨水）进行冲洗再生，并每日使用少量活性氯溶液消毒。

图18.14 采用传统离子交换法对干酪乳清进行脱盐的装置

1. 消毒剂储罐
2. 盐酸储罐
3. 阳离子交换柱
4. 阴离子交换柱
5. 氢氧化钠储罐
6. 流量计
7. 检视窗

脱盐过程中的净反应如下（以NaCl代表乳清盐分，R表示不溶性树脂交换位点）：

离子交换工艺的各股料流包括以下步骤：

• 运行（耗竭）：每次再生前可处理10-15倍床体积的乳清。以阳离子交换剂床体积为基准。
• 再生
• 置换乳清
• 反冲洗
• 接触再生液
• 水冲洗

为防止腐蚀，离子交换柱常采用橡胶衬里的低碳钢制造。阴离子交换柱专门设计为锥形，以适应树脂床从游离碱型转为盐型时发生的体积膨胀。阳离子交换剂通常采用逆流方式再生。因此，当乳清采用下向流处理时，再生则采用上向流进行。此设计可减少再生化学品消耗量达30-40%，但代价是系统结构更为复杂。该装置易于实现自动化。为实现乳清的连续处理，需配备两至三套并联的离子交换系统。标准运行周期为六小时，其中四小时用于再生。

工艺局限性

乳清/超滤渗透液属于高盐负荷液体，这意味着两次再生之间的运行周期短，同时再生所消耗化学品消耗量大，且脱灰废液与再生化学品的所需过剩量均产生高盐负荷。冲洗水耗也较高，尤其在清洗弱碱阴离子树脂中过量氢氧化钠时的耗水量。

乳清蛋白在交换柱内因变性/吸附而造成损失，这是由于离子交换过程中乳清的pH值波动剧烈。再生化学品消耗占工艺运行成本的60-70%。

该工艺虽主要针对90%脱盐率设计，但若采用旁路系统亦可实现任意脱盐率。图18.15展示了乳清固形物加工成粉末的不同产品组合方案。

离子交换色谱法分离乳过氧化物酶与乳铁蛋白

如上一节“蛋白质分离与浓缩”所述，离子交换色谱同样可用于此目的。天然生物活性剂在婴幼儿配方奶粉、保健食品、护肤霜及牙膏等产品领域备受生产者关注。离子交换色谱技术还可分离其他乳清蛋白，其中典型范例是生物活性蛋白——乳过氧化物酶（LP）与乳铁蛋白（LF）。但二者在乳清中含量极低：乳过氧化物酶含量通常为20mg/L，乳铁蛋白为35mg/L（平均35ppm，范围5-60ppm）。牛奶中乳铁蛋白含量更高，为100-180ppm。如“蛋白质分离与浓缩”章节所述，离子交换色谱通常用于从牛奶和乳清中分离乳过氧化物酶与乳铁蛋白。

该工艺的基本原理在于：乳过氧化物酶和乳铁蛋白的等电点均位于碱性pH区间，这意味着在甜乳清正常pH值（6.2-6.6）下，这两种蛋白带正电荷。而其余乳清蛋白（如β-乳球蛋白、α-乳白蛋白和牛血清白蛋白）在同一pH范围内带负电荷。因此，采用特制阳离子交换树脂进行选择性吸附是分离乳过氧化物酶和乳铁蛋白的基础工艺。通过电荷相互作用，乳过氧化物酶和乳铁蛋白分子与阳离子交换剂的带负电功能基团结合，从而固定于树脂上；其余带负电的乳清蛋白则因电荷排斥而穿过树脂。为实现工业化应用，该工艺需满足若干基本条件。

图18.15 乳清固形物在不同产品组合方案中的分配去向

图18.16 从牛奶和乳清中分离乳过氧化物酶（LP）和乳铁蛋白（LF）的工艺框图

乳清预处理需确保“无颗粒”特性，以满足上样阶段的高流速要求——因需使大量乳清通过离子交换树脂以达到饱和。实践表明，采用均质跨膜压力（UTP）控制的1.4微米错流微滤是实现该目标的有效技术，可稳定维持1200-1500升/平方米·小时的通量持续15-16小时。此类预处理能避免离子交换柱背压持续升高。

该离子交换树脂对乳过氧化物酶与乳铁蛋白的总吸附容量为40-45克/升树脂（以穿透点为限）。对于100升树脂床体积，单周期可处理约10万升乳清。

通过优化洗脱条件，使吸附在柱上的活性蛋白更好析出，可获得高纯度乳过氧化物酶与乳铁蛋白组分。此阶段采用不同浓度盐溶液进行洗脱。洗脱液中蛋白质浓度可达1%（重量比），表明离子交换步骤使乳过氧化物酶/乳铁蛋白相较原乳清浓缩近500倍。洗脱液经带洗滤的超滤进一步纯化，可得纯度约95%的蛋白产品。最终通过0.1-0.2微米错流微滤器进行无菌过滤后，蛋白浓缩液可采用冷冻干燥或喷雾干燥。整体工艺流程见图18.16。

乳糖转化

乳糖水解

图18.17 乳糖化学结构及酶解过程

图18.18 糖类相对甜度对比

乳糖是由半乳糖和葡萄糖构成的双糖，结构如图18.17所示。乳糖存在α-乳糖和β-乳糖两种异构体。

两者差异源于葡萄糖分子C原子上羟基的空间构型不同，进而导致下述差异：

• 溶解性
• 晶体形态
• 熔点
• 生理活性

乳糖可通过水解作用（水合或酶催化）分解。乳糖分解酶——β-半乳糖苷酶属于水解酶类，其催化乳糖裂解为半乳糖与葡萄糖的过程如图18.17所示。乳糖甜度远低于其他糖类，图18.18对比了不同糖的相对甜度。

乳糖水解可显著提升产物甜度。

部分人群因缺乏乳糖分解酶而无法正常摄入乳制品，即乳糖不耐症。通过水解乳制品中的乳糖，可使该群体有效吸收乳制品中的优质蛋白质与维生素等营养成分。

此外，乳糖水解还能有效改善冰淇淋等产品因乳糖结晶导致的沙质感缺陷。

酶水解

图18.19所示为乳清中乳糖的酶水解工艺流程。

脱盐预处理虽非必需，但能提升终产品风味。水解后乳清经蒸发浓缩，可获得干物质含量70-75%的糖浆，其中85%的乳糖被水解，可作为甜味剂用于烘焙业与冰淇淋生产。

加工过程中酶会通过热处理或pH调节失活，不可重复利用。目前除使用游离酶外，还可将酶固定于水溶性或非水溶性载体上。这类固定化酶系统可实现连续式乳糖水解，节约了昂贵的酶制剂，重复用于催化大量产物，提升经济效益。但目前这一技术尚未大规模应用。

采用经预处理的纯净乳糖，还可通过其他酶法转化生产益生元产品——低聚半乳糖（GOS）。

图18.19 乳清中乳糖酶水解工艺流程

1. 巴氏杀菌机
2. 水解罐
3. 蒸发器
4. 灌装机

酸水解

乳糖也可通过酸结合热处理、或流经高温（约100℃）氢型阳离子交换剂实现水解。水解程度取决于pH值、温度和保温时间。因乳清酸水解过程易产生褐色物质，建议采用活性炭进行脱色处理。

化学反应

研究证实，反刍动物饲料中的天然蛋白质可部分由非蛋白氮产物替代，因牛瘤胃中特定微生物能利用尿素与氨合成蛋白质。但为平衡氮源与能量供应，需将尿素和氨转化为可缓慢释放氮的形态，以优化瘤胃内的蛋白质合成。

乳酰尿素与乳酸铵是两类基于乳清的此类产品。

乳酰尿素

该生产工艺如下：分离后乳清经两步浓缩至75%干物质，添加尿素与食用硫酸后，在带搅拌装置的夹层罐中于70℃维持20小时。此条件下尿素与乳糖反应生成乳酰尿素。

反应结束后产品经冷却，可送至浓缩饲料生产厂（如制粒）或直接供应农场。

乳酸铵

该工艺通过乳清中乳糖发酵生成乳酸，并通入氨气维持pH值进而形成乳酸铵。产品浓缩到干物质含量为61.5%后即可使用。

参考文献

de Wit, J.N.（2001）。《乳清及乳清制品讲师手册》。医学农业与食品科学协会。

Walstra, P.（1999）。《乳品技术：乳类特性与加工原理》（第一版）。CRC出版社。在线阅读： https://doi.org/10.1201/9780824746414

McSweeney,P.L.H.和O’Mahony,J.A.（编）（2016）《高级乳品化学第1B卷：蛋白质——应用篇》。在线阅读： https://link.springer.com/ book/10.1007/978-1-4939-2800-2