專利名稱：一種由乳清同時制備乳清蛋白粉和乳糖粉的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種由乳清液制備乳清蛋白粉和乳糖粉的方法，屬于乳品加工領域。
背景技術：
牛奶分離出酪蛋白制備奶酪后，剩余溶液即為乳清液。乳清液作為副產(chǎn)物，其水含量高，運輸不便，經(jīng)常通過噴霧干燥等方法制成甜乳清粉。甜乳清粉中主要含有乳糖(約70%)和乳清蛋白(約10%)。乳糖是哺乳動物乳腺分泌的一種二糖，由一個葡萄糖和一個半乳糖縮合而成，有α和β兩種構(gòu)象。乳糖產(chǎn)品基本都從乳清中提取，可以用于嬰兒食品、糖果、人造牛奶等，醫(yī)學上常用作矯味劑。由于我國居民中乳糖不耐受的發(fā)生率較高，因此通常需要將乳糖從乳品中分離出來。 乳清蛋白在牛奶中的含量僅為O. 7%，含有人體所需的全部8種必需氨基酸，且各氨基酸的比例恰當，幾乎與骨骼肌中氨基酸的組成比例完全一致，極易被人體利用，是最佳的蛋白質(zhì)來源，能滿足不同群體和不同年齡段人群對健康和營養(yǎng)的需求。牛乳清蛋白的功能性成分主要為乳球蛋白(β-Lg)、0-乳白蛋白(0-1^)、牛血清白蛋白(85六)、免疫球蛋白(IgG)，以及乳鐵蛋白(Lf)、乳過氧化酶、生長因子和許多生物活性因子及酶，這些物質(zhì)均具有一定的生物活性，尤其適合于嬰幼兒食品。從價格相對低廉的甜乳清粉中分離乳清蛋白和乳糖，特別是濃縮乳清蛋白(WPC)，作為嬰兒乳品的活性添加劑，具有良好的市場前景。中國專利CN 101926408 A采用微濾將牛奶簡單分成富含酪蛋白的濃縮液和成分均一的乳清透過液，簡化了干酪用乳的標準化過程，然而未對乳清產(chǎn)品進行進一步的加工。中國專利CN 1606917 A公開了一種〃從牛奶中提取乳清蛋白及分離乳清蛋白中不同活性成分的方法〃，其主要步驟為首先在牛奶中添加15-25%體積的無水乙醇，攪拌均勻，靜置30-60分鐘后過濾去除沉淀，然后在濾液中添加無水乙醇，使乙醇含量達到35%，繼續(xù)添加無水乙醇直至乙醇含量逐漸達到55%，攪拌均勻，靜置30-60分鐘后，3000-5000rpm離心，倒出上清液，所得沉淀即為乳清蛋白。中國專利CN 101367864 A中采用疏水作用層析和凝膠過濾層析分離乳清蛋白，層析過程中引入了硫酸銨、磷酸鹽緩沖液等陰陽離子，產(chǎn)生的廢液需處理后排放，分離介質(zhì)昂貴，制備成本較高。中國專利CN 101731446 A中，以牛奶為原料制備乳清蛋白粉，先將牛奶通過O. Iμ m的膜微濾，透過液再經(jīng)超濾，濃縮液即為乳清蛋白液，并未提及超濾膜的截留分子量和產(chǎn)品中蛋白質(zhì)的含量。中國專利CN 101822309 A公開了一種采用中空纖維膜超濾生產(chǎn)乳清蛋白及其制品的生產(chǎn)方法，其產(chǎn)品中蛋白含量僅為15% 土 0.5%，無法達到濃縮乳清蛋白WPC 70 (蛋白含量彡70%)和WPC 80 (蛋白含量彡80%)的標準要求。中國專利CN 101491287 A中公開了一種同時分離乳清蛋白和乳糖的方法，其步驟如下先用網(wǎng)篩過濾器除去乳清中的奶酪顆粒，然后濃縮乳清，冷卻結(jié)晶并離心分離得到乳糖；離心的清液經(jīng)微濾，超濾和納濾后得到乳清蛋白液，再濃縮、噴霧干燥后得蛋白粉。未公開蛋白含量，且整個過程步驟較多，耗時較長。在現(xiàn)有專利公開的制備方法中，最終產(chǎn)品乳清蛋白中蛋白含量普遍較低，一般達不到濃縮乳清蛋白WPC的相關標準，不適用于嬰兒食品等的添加。本專利通過在超濾中增加補水這一簡單的操作流程，可以將蛋白含量提高至70%以上，同時避免了微濾、納濾等操作，流程簡便、產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)成本低。本發(fā)明還提出了乙醇沉淀分離乳糖的新工藝，減少了傳統(tǒng)乳糖提取過程中的熱能損耗，并可同時制得高含量的乳糖產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種簡便、收率高、成本較低的由乳清同時制備乳清蛋白粉和乳糖粉的方法。 由乳清同時制備乳清蛋白粉和乳糖粉的方法包括以下步驟
(1)初步超濾乳清液在超濾器中濃縮至超濾膜的膜通量下降到初始膜通量的60%
80% ；
(2)補水洗濾向濃縮液中連續(xù)或間歇加入2 5倍濃縮液體積的去離子水，洗濾，得到濃縮液和透過液；
(3)制乳清蛋白粉將濃縮液，即濃縮乳清蛋白溶液，直接通過冷凍干燥、噴霧干燥或真空干燥得到蛋白質(zhì)質(zhì)量百分含量為70% 85%的乳清蛋白粉；
(4)精制乳糖粉透過液蒸發(fā)濃縮，加入濃縮后體積的O.6 I. 5倍的食品級乙醇，使乳糖沉淀，再經(jīng)冷水和食品級乙醇洗滌，干燥，得到純度>95%的乳糖粉。所述的乳清液為液態(tài)乳清液，或者甜乳清粉加水溶解而成的乳清溶液。所述的超濾器中采用的超濾膜為超濾膜包或中空纖維膜柱，截留分子量為5000 10000 Da。所述步驟(4)中蒸發(fā)濃縮為減壓蒸發(fā)、單效蒸發(fā)或雙效蒸發(fā)。所述步驟(4)中干燥采用半沸騰床式干燥機或氣流干燥機。本發(fā)明的有益效果如下
(I)超濾操作條件溫和，避免了乳清蛋白的變性，提高蛋白的回收率；
(2 )超濾過程工藝簡單，不添加無機鹽和其它加重環(huán)境污染的物質(zhì)。(3)超濾濃縮過程中，膜通量降低可分成三個階段由于溶劑中的細菌和微量膠體堵塞膜孔導致膜通量降低至初始膜通量的90%左右；之后因為濃差極化層的形成，膜通量降至初始的60%-80% ;隨著超濾繼續(xù)進行，膜孔道堵塞并在膜表面形成凝膠層，污染嚴重時，膜通量僅為初始膜通量的20%以下。在第二階段轉(zhuǎn)至第三階段時(膜通量降至初始膜通量的60%_80%),開始補水，不僅可以使補水量最小，減少后續(xù)濃縮的處理量；還能提聞超濾的整體速度和效率；同時有效延長超濾膜的使用壽命。不同膜出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(即超濾速度明顯下降的點)的時間與操作條件和膜特性有關，需分別考察。(4)乳糖精制過程中，采用乙醇沉淀法取代常用的結(jié)晶法，降低能耗，提高了分離速度。洗滌乳糖用預冷水代替酸性水，降低影響產(chǎn)品質(zhì)量的風險和減輕污水處理量。分離和洗滌乳糖過程中使用的食品級乙醇可以回收利用。


圖I是本發(fā)明中濃縮乳清蛋白和乳糖的分離工藝流程 圖2是實施例I和實施例2制備的濃縮乳清蛋白粉WPC 70 (蛋白質(zhì)含量>70%)和WPC80 (蛋白質(zhì)含量>80%)的凝膠電泳圖片；
圖3是實施例I和實施例2制備的濃縮乳清蛋白粉WPC 70和WPC 80的高效液相譜圖，圖中 A 為 WPC 70, B % WPC80。
具體實施例方式由乳清同時制備乳清蛋白粉和乳糖粉的方法包括以下步驟
(1)初步超濾乳清液在超濾器中濃縮至超濾膜的膜通量下降到初始膜通量的60% 80% ；
(2)補水洗濾向濃縮液中連續(xù)或間歇加入2 5倍濃縮液體積的去離子水，洗濾，得到濃縮液和透過液；
(3)制乳清蛋白粉將濃縮液，即濃縮乳清蛋白溶液，直接通過冷凍干燥、噴霧干燥或真空干燥得到蛋白質(zhì)質(zhì)量百分含量為70% 85%的乳清蛋白粉；
(4)精制乳糖粉透過液蒸發(fā)濃縮，加入濃縮后體積的O.6 I. 5倍的食品級乙醇，使乳糖沉淀，再經(jīng)冷水和食品級乙醇洗滌，干燥，得到純度>95%的乳糖粉。所述的乳清液為液態(tài)乳清液，或者甜乳清粉加水溶解而成的乳清溶液。所述的超濾器中采用的超濾膜為超濾膜包或中空纖維膜柱，截留分子量為5000 10000 Da。所述步驟(4)中蒸發(fā)濃縮為減壓蒸發(fā)、單效蒸發(fā)或雙效蒸發(fā)。所述步驟(4)中干燥采用半沸騰床式干燥機或氣流干燥機。實施例I (從甜乳清粉中制備乳清蛋白粉WPC 70和乳糖)
稱取182. 9 g甜乳清粉，加水溶解至2 L，采用截留分子量為10000 Da，膜面積為O. 11m2的聚醚砜膜超濾，跨膜壓力O. 24 MPa，膜面流速36 L/h，超濾至膜通量為初始膜通量的80%，剩余濃縮液約為170 mL，開始連續(xù)補水，補水速度大致等于超濾速度，維持濃縮液體積基本不變。共加入2. 6倍濃縮液體積(約450mL)的去離子水，得到2425 mL透過液和180mL濃縮液。將超濾濃縮液直接冷凍干燥，得到淡黃色乳清蛋白粉20. 49 g，蛋白含量(以干重計)為73. 57%，乳糖含量為8. 45%，脂肪5. 01%,水分6. 31%，灰分4. 94%，主要金屬離子含量為鉀 733.5 mg/100g、鈉 357. I mg/100g、鈣 1022 mg/100g、鎂 86. 5 mg/100g、銅 I. 82mg/100g、鋅 1.67 mg/100g、錳 0. 13 mg/100g、鐵 4. 56 mg/100g，符合濃縮乳清蛋白 WPC 70的相關標準(水分彡5. 0%、脂肪彡18. 0%、干基蛋白質(zhì)彡70%、灰分< 5%、乳糖彡2%)。超濾透過液經(jīng)90 ° C加熱30 min后，抽濾，濾過液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至200 mL，冷卻至室溫，加入食品級乙醇150 mL (最終體積分數(shù)約43%)，抽濾，沉淀用200 mL預冷水洗滌，再用300 mL食品級乙醇洗滌，最后60 ° C烘箱干燥12 h，得到乳糖粉95. 55 g。乳糖粉的乳糖含量為96. 9%，蛋白含量為I. 31%，脂肪未檢測出，水分I. 35%，灰分I. 27%，主要金屬離子含量為鉀 109.9 mg/100g、鈉 32. 2 mg/100g、鈣 301. 8 mg/100g、鎂 25. 9 mg/100g、銅 0.15 mg/100g、鋅 0.12 mg/100g、錳 0.01 mg/100g、鐵 I.15 mg/100g。實施例2 (從乳清粉中提取濃縮乳清蛋白WPC 80)稱取180. 6 g甜乳清粉，定容至2 L0洗濾操作條件大致同實施例1，只是超濾至膜通量為初始膜通量的60%時，剩余濃縮液約為170 mL，開始補水約1500 mL (約濃縮液體積的
5倍)，最終得到了 3285 mL透過液和170 mL濃縮液。將超濾濃縮液冷凍干燥，得到淡黃色乳清蛋白粉14. 89 g，蛋白含量(以干重計)為81. 74%，乳糖含量為I. 97%，脂肪4. 23%，水分7. 02%,灰分3. 85%，主要金屬離子含量為鉀470.4 mg/100g、鈉 233. 6 mg/100g、鈣 1117 mg/100g、鎂 86.O mg/100g、銅 I.32 mg/100g、鋅I. 10 mg/100g、猛O. 09 mg/100g、鐵5. 11 mg/100g，符合濃縮乳清蛋白WPC 80的相關標準(水分彡5. 5%、脂肪彡8. 0%、干基蛋白質(zhì)彡80%、灰分彡5%、乳糖彡9%)。實施例3 (從超濾透過液中提取乳糖)
以實施例2中的超濾透過液3285 mL為原料，提取乳糖，具體操作大致同實施例1，只是透過液未經(jīng)加熱，過濾，直接旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至終體積為250 mL，沉淀乳糖所用食品級乙醇體積為380 mL (最終體積分數(shù)約60%)，洗滌用預冷水增加至300 mL，最終得到白色乳糖粉75. 04 g，乳糖含量為97. 6%，蛋白含量為O. 38%，脂肪未檢測出，水分O. 59%。由于增加了洗滌用水，乳糖成色比實施例I中的更好，顏色更白。實施例4 (不補水超濾分離乳糖)
用去離子水配制10 g/L甜乳清粉溶液150 mL,于millipore超濾杯中，通過截留分子量為5000 Da的再生纖維素膜，在0.2 MPa氮氣下超濾，超濾過程未加水。測定原料液、濃縮液和透過液中乳糖濃度分別為7.60 g/L、7. 53 g/L,7. 60 g/L。由于乳糖分子足夠小，可以自由穿梭膜孔，其穿過膜孔的方式為自由擴散，驅(qū)動力為濃度差，所以在不補水的情況下，超濾無法從原料中分離乳糖。實施例5 (間歇補水超濾分離乳糖)
用去離子水配制90 g/L甜乳清粉溶液50 mL,于millipore超濾杯中，通過10000 Da膜，在0. 2 MPa氮氣下超濾60 min后，濃縮剩余19. 7 mL,按照1:2 (濃縮液補加水量)的比例，一次性補加去離子水39. 4 mL ;繼續(xù)超濾65 min，濃縮液體積為15. O mL，按照1:3的比例加水；47 min后，濃縮液為11.0 mL，按照1:4加水；繼續(xù)超濾40 min。四個階段的濃縮液和滲透液分別取樣測乳糖濃度，結(jié)果如表I
表1間歇補水各階段濃縮液和透過液中乳糖濃度
權(quán)利要求
1.一種由乳清同時制備乳清蛋白粉和乳糖粉的方法，其特征在于包括以下步驟 (1)初步超濾乳清液在超濾器中濃縮至超濾膜的膜通量下降到初始膜通量的60% 80% ； (2)補水洗濾向濃縮液中連續(xù)或間歇加入2 5倍濃縮液體積的去離子水，洗濾，得到濃縮液和透過液； (3)制乳清蛋白粉將濃縮液，即濃縮乳清蛋白溶液，直接通過冷凍干燥、噴霧干燥或真空干燥得到蛋白質(zhì)質(zhì)量百分含量為70% 85%的乳清蛋白粉； (4)精制乳糖粉透過液蒸發(fā)濃縮，加入濃縮后體積的O.6 I. 5倍的食品級乙醇，使乳糖沉淀，再經(jīng)冷水和食品級乙醇洗滌，干燥，得到純度>95%的乳糖粉。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種由乳清同時制備乳清蛋白和乳糖的方法，其特征在于所述的乳清液為液態(tài)乳清液，或者甜乳清粉加水溶解而成的乳清溶液。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種由乳清同時制備乳清蛋白和乳糖的方法，其特征在于所述的超濾器中采用的超濾膜為超濾膜包或中空纖維膜柱，截留分子量為5000 10000Da0
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的由乳清同時制備乳清蛋白和乳糖的簡便方法，其特征在于所述步驟(4)中蒸發(fā)濃縮為減壓蒸發(fā)、單效蒸發(fā)或雙效蒸發(fā)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的由乳清同時制備乳清蛋白和乳糖的簡便方法，其特征在于所述步驟(4 )中干燥采用半沸騰床式干燥機或氣流干燥機。
全文摘要
本發(fā)明屬于乳制品的生產(chǎn)技術，具體涉及一種由乳清同時制備乳清蛋白粉和乳糖粉的方法。主要步驟為(1)初步超濾將乳清液通過截留分子量為5000～10000Da的超濾膜；(2)補水超濾在膜通量下降到初始膜通量的60%～80%時，向濃縮液中連續(xù)補加2～5倍濃縮液體積的去離子水，獲得透過液和濃縮液；(3)制乳清蛋白粉超濾得到的濃縮液，干燥，得到乳清蛋白粉(WPC)；(4)精制乳糖粉超濾透過液經(jīng)蒸發(fā)濃縮，加入食品級乙醇至最終體積分數(shù)為40～60%，收集沉淀，洗滌，干燥，即為乳糖。本發(fā)明以超濾為主要分離方法，同時制得高蛋白含量的乳清蛋白粉和高純度的乳糖粉，整個過程只添加去離子水和食品級乙醇，不添加額外鹽分及酸堿等物質(zhì)。
文檔編號A23J1/20GK102870952SQ20121034798
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月19日
發(fā)明者姚善涇, 杜巧燕, 俞祖勛, 林東強 申請人:浙江大學