膜分離是一門新興的多學科交叉的高新技術膜分離技術和傳統分離技術相結合又派生出諸如膜蒸餾、膜萃取、膜吸收、膜色譜、膜親和、膜反應器和膜控制釋放等許多新型膜過程和膜技術。膜分離技術兼有分離、濃縮、純化、和精制的功能，又有高效、節能、環保、分子級過濾以及過程簡單、易于自動化控制等特性。可廣泛應用于金屬、紡織、制革、造紙、化工、食品、生化、醫藥、保健、水處理和國防等工業，已成為當今分離科學中重要的手段之一。

1 膜技術

膜分離是一種使用半透膜的分離方法，用天然或人工合成的高分子薄膜，以界能量或化學位差為推動力，對雙組分或多組分的溶質和溶劑進行分離、分級、提純和濃縮的方法統稱為膜分離方法。膜分離技術是基于流體混合物中的各組成成分利用高分子膜的選擇透過性，不必發生相的轉換。以濃度差梯度、壓力梯度或電勢梯度作為推動力，在膜相際之間進行傳質，以達到不同組分的分離、純化的目的。

以壓力為推動力的膜過程，根據膜對不同組分的截留能力可以分為:反滲透(RO)，納米過濾(NF)，超濾(UF)，微濾(MF)。選擇膜要考慮用途、膜孔徑和截留系數。幾種膜過程的分離特性和對乳品中各組分的截留能力如表1和表2所示。

表1：不同膜過程的分離特性

表2：不同膜過程對乳品中各組分的截留能力

“+”表示透過、“-”表示截留。

實用的膜系統由膜和支撐結構組成一個過濾單元，可將多個單元組合在一起。在連續系統中，料液不斷地在各個單元中循環，逐級濃縮直至達到要求。而透過液則在各個單元中收集，進入中心容器中排出。在處理小批量料液時，也可用批處理操作，用一個中間貯液缸來進行循環。

2 膜技術在乳品工業中的應用

2.1 乳品的微濾除菌

膜過濾滅菌系統包括乳脂分離，脫脂乳的微孔過濾，濃縮相的高溫瞬時滅菌和混合乳的巴氏消毒等工藝過程。用微濾技術（MF）除去乳中細菌和孢子這一舉措，與用加熱殺菌的辦法比較，在過去數年里于乳品業界引起了廣泛的興趣。這個系統包括2個主要的滅菌過程，一是通過微孔過濾截留脫脂乳中的細菌和孢子，其次對微孔過濾截留下來和富含各種微生物及孢子的濃縮相及 步分離出的乳脂進行高溫瞬時滅菌，由于這部分物料中蛋白質含量很低，所以可以采用強化的高溫滅菌條件。由于脂肪球與乳中一般所含細菌大小相似，故脂肪球與細菌會一同被截留于保留液中，為此在整個工藝過程中于微濾之前應先分離脂肪，其目的是為了減少微孔過濾時的膜堵塞，以提高蛋白質的過濾速度，又可以獲得良好的濃縮比且不會阻孔而形成嚴重的流束下降。微過濾去除鮮乳中細菌工藝流程：

鮮乳（離心分離）→脫脂乳（微過濾，巴氏殺菌）和稀奶油（高溫短時殺菌）→標準化→包裝

王旻等人對鮮乳微過濾除菌初探中結果顯示，微過濾乳衛生指標已達標。除平均的菌落總數略高于UHT乳，其他幾項指標均與UHT乳相同。為了保證微孔過濾具有高效的分離效率，膜孔尺寸的選擇非常關鍵。合適的膜孔尺寸應該既能對細菌和孢子具有極高的截留率，同時又能讓原料乳中的酪蛋白有盡可能高的通透率。試驗顯示，合適的膜孔尺寸約為0.6～0.7μm。另外操作條件的控制也非常重要，特別是操作壓力和溫度。一般乳微濾合適的壓力范圍為30～40kPa，溫度為50℃。

采用MF/HTT（高溫熱處理）工藝處理后，成品液體乳中的細菌降低程度如表3。

表3：MF/HTT工藝成品乳中細菌降低程度

MF/HTT工藝的使用不僅大大降低其消耗，而且除菌率可達99.99%；另外成品乳的貨價期可在8℃保藏下延長至16～18d，且鮮乳幾乎保持了原有風味。Alfa-laval公司開發一種稱為“Bactocatch”的牛乳殺菌工藝，將微濾和高溫短時殺菌結合起來，可降低熱處理強度，提高無菌乳的質量。

2.2 回收乳清蛋白及其他產品

乳清加工的主要目的是回收乳清中的蛋白質。與傳統的蒸發濃縮相比，膜技術不僅能減少加熱引起的蛋白質變性，而且在產品提純方面具有明顯的優勢。目前，在乳清蛋白的回收中，較為普遍采用的工藝是利用超濾對乳清進行濃縮分離。通過超濾分離可以獲得蛋白質含量在35%～85%的乳清蛋白粉。借助于對濃縮相不斷稀釋的全過濾，則可以獲得蛋白質含量更高的乳清蛋白粉。此外，引入超濾和反滲透組合技術，可以在濃縮乳清蛋白的同時，從膜的透過液中除掉乳糖和灰分等，這樣就大大擴大了全干乳清的應用范圍。引入超濾和反滲透后，乳清蛋白的質量明顯提高。與傳統的工藝生產所得的產品相比，蛋白質含量提高了近4倍，乳糖含量下降約40%。

在乳品工廠中，用于清洗設備的廢水具有很高的生物需氧量（BOD），不能直接排放。可用反滲透進行濃縮，提高其固形物含量，減少體積，然后運往指定的排放地點，如養豬場等。乳品廠超濾透過液中BOD高，含有乳糖、蛋白胨、灰分，不允許直接排放，經反滲透進行濃縮后，可生產營養豐富的牲畜飲水，如果與果汁混合還可生產營養飲料。

凱能公司生產的管式NF膜，對乳清中乳糖的截留率達99.8%，能將乳糖從質量分數為4.2%濃縮到29.5%，同時對鹽分和灰分的脫除率達60%～90%。

2.3 乳清脫鹽

脫鹽是指通過超級滲析（UO）濾膜將物料中的鹽分脫去的過程。生產Cheddar干酪和其他硬質干酪所產生的咸乳清（鹽含量極高），很難和甜乳清同樣進行處理。必須先脫鹽然后才能回收、蒸發、干燥。表4列出了NF對乳清中各組分的通透情況。

表4：NF對乳清組分的通透情況

由表4可知，單價金屬離子和氯離子可以通過，而二價離子及大多數其他組分都有一定程度的截留，蛋白質100%截留。因而可用于乳清的脫鹽，以取代電滲析。該方法可減少設備投資，節省能耗和運行費用。

2.4 濃縮

2.4.1 牛乳的濃縮

利用膜技術對食品組分進行濃縮與提純，能夠保留食品原有的風味物質，目前已得到廣泛應用。在乳品工業利用膜技術進行濃縮也已經應用多年了。傳統的乳粉制造工藝是先將牛乳加熱以除去大部分水分，直到所需要的濃度后再進行噴霧干燥。引入膜分離技術后，改用超濾法除去牛乳中70%～80%的水，再經濃縮后進行噴霧干燥。相比之下，無論是從設備投資還是運行費用來講，后一種工藝都節省很多。在脫脂乳的濃縮上，用反滲透法可去除60%以上的水分，而用超濾法則可得到蛋白質質量分數高達80%的脫脂濃乳。同樣，用反滲透法可將原料乳濃縮到固形物質量分數達25%，反滲透膜具有極小的膜孔尺寸，只有水和一部分非蛋白氮能通過，然后再經真空蒸發，可進一步提高固形物的含量。表5列出了原料乳經反滲透后的各成分含量對比情況。

表5：原料乳經反滲透后的各成分含量對比

2.4.2 乳蛋白濃縮

超濾可截留原料乳中幾乎全部的蛋白質，而允許乳糖和灰分通過。所以超濾在乳品工廠的另一重要應用是乳蛋白的濃縮。通過全過濾即不斷地在截留液中加水重復過濾，可較大程度地去除乳糖和灰分，從而制取高蛋白含量的濃縮乳蛋白。此項技術還應用于生產高蛋白含量的脫脂乳粉和脫鹽、脫乳糖的乳清粉，并將其用于生產冰淇淋和酸乳，即軟干酪和其他發酵乳制品。也可將超濾和電滲析結合起來生產乳清蛋白濃縮物（其固形物質量分數為96%、乳糖50%、含氮物35%、灰分8%）。膜分離乳蛋白質濃縮物可以保持其原來的氨基酸含量，采用超濾，酪蛋白與乳清蛋白的質量比可以保持其原始狀態。

2.5 乳蛋白質分級分離

膜技術用于乳蛋白質的分級分離效果很好，它可用于分離、純化、回收和濃縮蛋白質，如乳清蛋白、血清白蛋白、蛋清蛋白、西蒙德木蛋白等。目前國外正在研究將各種膜分離技術和色譜方法及化學處理、酶處理結合起來，將乳蛋白中各組分分開。各種乳蛋白具有不同的功能特性和用途，應用膜技術從脫脂的乳清蛋白濃縮物（WPC）中可以制備純的β-乳球蛋白和β-乳白蛋白。在低pH值適度熱處理（55℃、30min）條件下，β-乳白蛋白會可逆地聚合并與除β-乳球蛋白之外的大部分其他乳清蛋白結合，從而可以用微濾（微孔0.2μm）或離心分離的方法分出β-乳球蛋白。此β-乳球蛋白可以用超濾結合電滲析進一步提純。微濾膜同樣可將乳清中α-乳清蛋白和β-乳球蛋白分開。利用膜技術結合其他方法還可以分離β-酪蛋白和α-乳清蛋白。微孔膜也可以進一步分離β-酪蛋白，通過改變干酪乳的β-酪蛋白與α-酪蛋白的質量比，進而改變干酪成品的組織狀態和風味；而β-酪蛋白的特定酶解產物具有類嗎啡肽、心血管作用的肽和免疫刺激活性有關，不僅對青少年而且對于老年人和孕婦都有生理作用。此外脫脂的乳清采用超濾手段還可以制備純的免疫球蛋白，它可用于生產 嬰兒乳粉。

2.6 乳的標準化

為了使產品中各個組成成分保持一定的比例，標準化已成為乳品加工過程中必不可少的一個工序。標準化乳脂肪很久以來已輕而易舉地用離心機來進行標準化，但是長期以來對于乳蛋白質則未進行標準化，對乳中非脂乳固體(SNF)的組成仍然是處于未變動狀態。目前對乳品的生產除了要求脂肪的標準化之外，同時也在強調乳蛋白質的標準化。這在過去的技術條件下是很困難的，但目前利用膜技術對乳蛋白質進行標準化就簡而易行了。由于膜技術具備選擇性分離特點，牛乳經過一定的濃縮后各組分的質量比例決定于牛乳的濃縮程度，可通過控制合適的濃縮比實現牛乳的標準化操作。在膜技術對蛋白質進行標準化時，可采用超濾和微濾，它不影響乳蛋白質的性質和結構。脫脂乳通過超濾經過6倍濃縮，在保留液中乳蛋白質的質量分數可從原來的3.75%升高至20%，其他成分如乳糖和鹽類則保持原來的5%和1.25%不變，而水分則由原來的90%降到73.75%。在生產中可以根據實際情況計算出需要濃縮的倍數。生產液體乳或乳粉時，通過對乳蛋白質的標準化，可使乳制品生產合理化，提高成品產出率，產生可觀的經濟效益。

2.7 發酵乳制品中的應用

2.7.1 酸乳等發酵乳

酸乳等發酵乳的一些特性，諸如粘度、乳清分離等，很大程度上取決于非脂乳固體的組成和含量。增加非脂乳固體中蛋白質會改變成品的流變學性質改善酸乳等發酵乳的質構和口感，特別是對于酸乳。金世琳研究發現，在相同的非脂乳固體情況下，超濾酸乳的粘度較用蒸發濃縮的方法或添加脫脂乳粉的辦法以增高非脂乳固體的為佳。通過超濾使蛋白質標準化到較高的含量還具有另外的有利之點，酸乳在存貯中超濾酸乳的pH值降低程度顯著小于其他2種酸乳。這是因為超濾者具有良好的緩沖能力，而且成品口感風味優良。

2.7.2 干酪

在干酪的制造中，超濾和微濾技術的應用越來越受歡迎。在蛋白質標準化中超濾的使用，特別是在卡門培爾(Camembert cheese)干酪和費塔(Feta cheese)干酪的生產。在其他的干酪制造中，超濾技術具有潛在應用前景，是對于高水分鮮干酪，包括Ricotta類型的產品和酸凝塊鮮干酪，如Quarg和Cream cheese的生產。采用超濾工藝技術生產酸凝塊鮮干酪，可以提高產率(見表6）。另外，在熱處理前利用超濾或微濾的方法部分除去乳清蛋白，同時微濾膜在很大程度除去了形成芽孢的細菌(如Clost ridium tyrobu tyricun菌)。這能夠預防在熱處理時B-乳球蛋白和K-酪蛋白復合物的形成并提高原料乳的衛生質量然后再進行噴霧干燥等一系列操作，能夠生產出一種適合應用于干酪制造的乳粉(如Mozzarella cheese)或者經上一步直接生產出高質量的干酪產品。

表6：生產18%總干物質quarg產品時，脫脂乳原料節省對比

從表6中可以看出，采用超濾法較傳統工藝和Thermo-process產脫脂乳酸凝塊鮮可以節省11%～13%的原料脫脂乳。此外超濾法生產操作簡便，產品中的總干物質含量易于控制而且對pH值的變動不甚敏感，超濾設備較傳統生產線設備可以更為靈活多樣性的使用既可生產脫脂鮮干酪，也可生產含脂quarg，或稀奶油干酪（cream cheese)。又由于干酪乳經過超濾濃縮，可以節省一部分凝乳酶用量，從而提高了經濟效益。

2.8 其他應用

2.8.1 應用超濾技術制備乳鐵蛋白

由于超濾法提供了不加熱或不發生相變進行大分子質量組分的濃縮、分離，所以它非常適合熱敏性的功能性組分的分離。日本學者島崎敬一于1989年提出了超濾法分離乳鐵蛋白(Lf)的新方法，他選用孔徑或截留分子量不同的一系列超濾膜，可以以干酪乳清為原料生產Lf基料。于長青研究工藝流程是:原料乳預處理→冷凍保藏→緩化→脫脂→酪蛋白沉淀→乳清→超濾分離→濃縮液→殺菌→干燥→制品。

應用超濾技術制備乳鐵蛋白的回收率可達70%左右，濃縮倍數為2.7，超濾操作簡便，費用相對較低，易于形成工業化規模，其缺點是制備的乳鐵蛋白純度低，膜需經常處理。此法是生產食品用乳鐵蛋白較具實現工業化潛力的方法之一。

2.8.2 超濾法濃縮分離免疫初乳中的抗體

收集經大腸桿菌、沙門氏菌混合疫苗免疫處理的乳牛產后7d之內初乳，經去脂、去酪蛋白后所得免疫初乳乳清，用中空纖維超濾器(分子截留量為100ku)進行濃縮分離，濃縮4.5～7倍，lgG收率在90%以上。為了制得高純度1gG分離物，可先用35%飽和度的硫酸銨進行鹽析，然后再進行超濾脫鹽、濃縮，制得的gG濃縮物純度達80%以上，這一工藝適合于工業化生產。

2.8.3利用膜分離技術和酶技術生產低乳糖牛乳

施正學等提出了一種生產低乳糖牛乳的新工藝即借助膜分離這一新型工程技術手段，對牛乳 行超濾/稀釋超濾處理，透過液經β-半乳糖苷酶水解，再與保留液混合、標準化、均質。從而解決了傳統工藝中由于牛乳組分復雜，易引起β-半乳糖苷酶污染、失活的問題。牛乳先經稀釋超濾處理，去除可能造成β-半乳糖苷酶污染、失活的牛乳中的大分子組分，再將透過液進行濃縮及乳糖的酶法水解，可制得乳糖水解度達80%以上的低乳糖牛乳。

3 存在問題和未來展望

3.1 存在問題

3.1.1 新型膜材料有待開發

隨著膜分離技術的發展，要滿足實際應用對不同截留分子質量、化學穩定性、較好機械強度和耐污染等綜合性能，需要拓寬膜的品種，提高膜的性能，要求發展混合和復合新品種膜。

3.1.2 應改進膜的清洗方法

膜分離技術效率高，效果好，可回收有用組分。但是濃差極化和膜污染問題一直制約著膜技術的發展與應用，膜通量的下降將極大地降低膜的分離效率，導致無法進行較長時間的穩定操作。乳類物質營養豐富，變質快，處理乳類高分子物質，污染是永遠無法回避的問題。在生產實踐中，膜清洗一般采用洗凈劑沖洗，但連續沖洗會造成膜劣化，因此膜的清洗問題尚待進一步研究。

3.1.3 完善膜的分離技術

膜技術是按分子量大小進行的，由于有細孔的分布，單采用膜分離技術效果有限，不適合高度分離，因此有時需要將膜分離工藝與其他分離工藝組合起來應用，使膜分離技術在實際應用中發揮著更大的作用。如乳粉的高度精制就需要與ED膜、離子交換等組合進行，但是這樣復雜的組合易引起堵塞，這也是今后值得研究的問題。此外，膜分離技術的產業化應用也有待進一步完善。

3.2 膜技術在未來乳品工業中的展望

3.2.1 乳品分子化

通過膜技術，可以得到高分子的蛋白質如酪蛋白、乳清蛋白和乳糖，同時也可對所得蛋白質進一步分級分離，從而可將牛乳的成分進行重新組合，得到不同功能的乳制品，以滿足不同行業的需求。膜分離技術在蛋白質的分離純化方面具有非常廣闊的應用前景，并正向工業化方向發展7;而且對乳品組分進行濃縮與提純能夠保留原有風味。

3.2.2 就地濃縮和環保

由于國內乳牛養殖較分散，給鮮乳運輸帶來很大困難，如能用車載式膜濾裝置進行預濃縮，乳品廠可減少運乳車和儲罐的數量，這樣可大量節省儲運費用;由于減少了體積，還可減少加工過程中加熱和冷卻的大量能源消耗。此外通過膜濾技術可以減少廢水的排放，過濾后的水可排放回自然界;同時，還可將過濾產生的淡鹽水喂牛，節約了用水。

綜上所述，現代膜分離技術作為一種新型的高新制造技術，因其獨特的性能，使得它在乳品工業發展極快，成績卓著，日益受到各界的關注，展現了廣闊的前景，尤其一些新的膜分離技術具有更大的潛力和更強的生命力。相信隨著膜分離技術研究的不斷深入其在乳品工業中的應用前景將會更加美好。