膜分离是一门新兴的多学科交叉的高新技术膜分离技术和传统分离技术相结合又派生出诸如膜蒸馏、膜萃取、膜吸收、膜色谱、膜亲和、膜反应器和膜控制释放等许多新型膜过程和膜技术。膜分离技术兼有分离、浓缩、纯化、和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤以及过程简单、易于自动化控制等特性。可广泛应用于金属、纺织、制革、造纸、化工、食品、生化、医药、保健、水处理和国防等工业，已成为当今分离科学中重要的手段之一。

1 膜技术

膜分离是一种使用半透膜的分离方法，用天然或人工合成的高分子薄膜，以界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的方法统称为膜分离方法。膜分离技术是基于流体混合物中的各组成成分利用高分子膜的选择透过性，不必发生相的转换。以浓度差梯度、压力梯度或电势梯度作为推动力，在膜相际之间进行传质，以达到不同组分的分离、纯化的目的。

以压力为推动力的膜过程，根据膜对不同组分的截留能力可以分为:反渗透(RO)，纳米过滤(NF)，超滤(UF)，微滤(MF)。选择膜要考虑用途、膜孔径和截留系数。几种膜过程的分离特性和对乳品中各组分的截留能力如表1和表2所示。

表1：不同膜过程的分离特性

表2：不同膜过程对乳品中各组分的截留能力

“+”表示透过、“-”表示截留。

实用的膜系统由膜和支撑结构组成一个过滤单元，可将多个单元组合在一起。在连续系统中，料液不断地在各个单元中循环，逐级浓缩直至达到要求。而透过液则在各个单元中收集，进入中心容器中排出。在处理小批量料液时，也可用批处理操作，用一个中间贮液缸来进行循环。

2 膜技术在乳品工业中的应用

2.1 乳品的微滤除菌

膜过滤灭菌系统包括乳脂分离，脱脂乳的微孔过滤，浓缩相的高温瞬时灭菌和混合乳的巴氏消毒等工艺过程。用微滤技术（MF）除去乳中细菌和孢子这一举措，与用加热杀菌的办法比较，在过去数年里于乳品业界引起了广泛的兴趣。这个系统包括2个主要的灭菌过程，一是通过微孔过滤截留脱脂乳中的细菌和孢子，其次对微孔过滤截留下来和富含各种微生物及孢子的浓缩相及 步分离出的乳脂进行高温瞬时灭菌，由于这部分物料中蛋白质含量很低，所以可以采用强化的高温灭菌条件。由于脂肪球与乳中一般所含细菌大小相似，故脂肪球与细菌会一同被截留于保留液中，为此在整个工艺过程中于微滤之前应先分离脂肪，其目的是为了减少微孔过滤时的膜堵塞，以提高蛋白质的过滤速度，又可以获得良好的浓缩比且不会阻孔而形成严重的流束下降。微过滤去除鲜乳中细菌工艺流程：

鲜乳（离心分离）→脱脂乳（微过滤，巴氏杀菌）和稀奶油（高温短时杀菌）→标准化→包装

王旻等人对鲜乳微过滤除菌初探中结果显示，微过滤乳卫生指标已达标。除平均的菌落总数略高于UHT乳，其他几项指标均与UHT乳相同。为了保证微孔过滤具有高效的分离效率，膜孔尺寸的选择非常关键。合适的膜孔尺寸应该既能对细菌和孢子具有极高的截留率，同时又能让原料乳中的酪蛋白有尽可能高的通透率。试验显示，合适的膜孔尺寸约为0.6～0.7μm。另外操作条件的控制也非常重要，特别是操作压力和温度。一般乳微滤合适的压力范围为30～40kPa，温度为50℃。

采用MF/HTT（高温热处理）工艺处理后，成品液体乳中的细菌降低程度如表3。

表3：MF/HTT工艺成品乳中细菌降低程度

MF/HTT工艺的使用不仅大大降低其消耗，而且除菌率可达99.99%；另外成品乳的货价期可在8℃保藏下延长至16～18d，且鲜乳几乎保持了原有风味。Alfa-laval公司开发一种称为“Bactocatch”的牛乳杀菌工艺，将微滤和高温短时杀菌结合起来，可降低热处理强度，提高无菌乳的质量。

2.2 回收乳清蛋白及其他产品

乳清加工的主要目的是回收乳清中的蛋白质。与传统的蒸发浓缩相比，膜技术不仅能减少加热引起的蛋白质变性，而且在产品提纯方面具有明显的优势。目前，在乳清蛋白的回收中，较为普遍采用的工艺是利用超滤对乳清进行浓缩分离。通过超滤分离可以获得蛋白质含量在35%～85%的乳清蛋白粉。借助于对浓缩相不断稀释的全过滤，则可以获得蛋白质含量更高的乳清蛋白粉。此外，引入超滤和反渗透组合技术，可以在浓缩乳清蛋白的同时，从膜的透过液中除掉乳糖和灰分等，这样就大大扩大了全干乳清的应用范围。引入超滤和反渗透后，乳清蛋白的质量明显提高。与传统的工艺生产所得的产品相比，蛋白质含量提高了近4倍，乳糖含量下降约40%。

在乳品工厂中，用于清洗设备的废水具有很高的生物需氧量（BOD），不能直接排放。可用反渗透进行浓缩，提高其固形物含量，减少体积，然后运往指定的排放地点，如养猪场等。乳品厂超滤透过液中BOD高，含有乳糖、蛋白胨、灰分，不允许直接排放，经反渗透进行浓缩后，可生产营养丰富的牲畜饮水，如果与果汁混合还可生产营养饮料。

凯能公司生产的管式NF膜，对乳清中乳糖的截留率达99.8%，能将乳糖从质量分数为4.2%浓缩到29.5%，同时对盐分和灰分的脱除率达60%～90%。

2.3 乳清脱盐

脱盐是指通过超级渗析（UO）滤膜将物料中的盐分脱去的过程。生产Cheddar干酪和其他硬质干酪所产生的咸乳清（盐含量极高），很难和甜乳清同样进行处理。必须先脱盐然后才能回收、蒸发、干燥。表4列出了NF对乳清中各组分的通透情况。

表4：NF对乳清组分的通透情况

由表4可知，单价金属离子和氯离子可以通过，而二价离子及大多数其他组分都有一定程度的截留，蛋白质100%截留。因而可用于乳清的脱盐，以取代电渗析。该方法可减少设备投资，节省能耗和运行费用。

2.4 浓缩

2.4.1 牛乳的浓缩

利用膜技术对食品组分进行浓缩与提纯，能够保留食品原有的风味物质，目前已得到广泛应用。在乳品工业利用膜技术进行浓缩也已经应用多年了。传统的乳粉制造工艺是先将牛乳加热以除去大部分水分，直到所需要的浓度后再进行喷雾干燥。引入膜分离技术后，改用超滤法除去牛乳中70%～80%的水，再经浓缩后进行喷雾干燥。相比之下，无论是从设备投资还是运行费用来讲，后一种工艺都节省很多。在脱脂乳的浓缩上，用反渗透法可去除60%以上的水分，而用超滤法则可得到蛋白质质量分数高达80%的脱脂浓乳。同样，用反渗透法可将原料乳浓缩到固形物质量分数达25%，反渗透膜具有极小的膜孔尺寸，只有水和一部分非蛋白氮能通过，然后再经真空蒸发，可进一步提高固形物的含量。表5列出了原料乳经反渗透后的各成分含量对比情况。

表5：原料乳经反渗透后的各成分含量对比

2.4.2 乳蛋白浓缩

超滤可截留原料乳中几乎全部的蛋白质，而允许乳糖和灰分通过。所以超滤在乳品工厂的另一重要应用是乳蛋白的浓缩。通过全过滤即不断地在截留液中加水重复过滤，可较大程度地去除乳糖和灰分，从而制取高蛋白含量的浓缩乳蛋白。此项技术还应用于生产高蛋白含量的脱脂乳粉和脱盐、脱乳糖的乳清粉，并将其用于生产冰淇淋和酸乳，即软干酪和其他发酵乳制品。也可将超滤和电渗析结合起来生产乳清蛋白浓缩物（其固形物质量分数为96%、乳糖50%、含氮物35%、灰分8%）。膜分离乳蛋白质浓缩物可以保持其原来的氨基酸含量，采用超滤，酪蛋白与乳清蛋白的质量比可以保持其原始状态。

2.5 乳蛋白质分级分离

膜技术用于乳蛋白质的分级分离效果很好，它可用于分离、纯化、回收和浓缩蛋白质，如乳清蛋白、血清白蛋白、蛋清蛋白、西蒙德木蛋白等。目前国外正在研究将各种膜分离技术和色谱方法及化学处理、酶处理结合起来，将乳蛋白中各组分分开。各种乳蛋白具有不同的功能特性和用途，应用膜技术从脱脂的乳清蛋白浓缩物（WPC）中可以制备纯的β-乳球蛋白和β-乳白蛋白。在低pH值适度热处理（55℃、30min）条件下，β-乳白蛋白会可逆地聚合并与除β-乳球蛋白之外的大部分其他乳清蛋白结合，从而可以用微滤（微孔0.2μm）或离心分离的方法分出β-乳球蛋白。此β-乳球蛋白可以用超滤结合电渗析进一步提纯。微滤膜同样可将乳清中α-乳清蛋白和β-乳球蛋白分开。利用膜技术结合其他方法还可以分离β-酪蛋白和α-乳清蛋白。微孔膜也可以进一步分离β-酪蛋白，通过改变干酪乳的β-酪蛋白与α-酪蛋白的质量比，进而改变干酪成品的组织状态和风味；而β-酪蛋白的特定酶解产物具有类吗啡肽、心血管作用的肽和免疫刺激活性有关，不仅对青少年而且对于老年人和孕妇都有生理作用。此外脱脂的乳清采用超滤手段还可以制备纯的免疫球蛋白，它可用于生产 婴儿乳粉。

2.6 乳的标准化

为了使产品中各个组成成分保持一定的比例，标准化已成为乳品加工过程中必不可少的一个工序。标准化乳脂肪很久以来已轻而易举地用离心机来进行标准化，但是长期以来对于乳蛋白质则未进行标准化，对乳中非脂乳固体(SNF)的组成仍然是处于未变动状态。目前对乳品的生产除了要求脂肪的标准化之外，同时也在强调乳蛋白质的标准化。这在过去的技术条件下是很困难的，但目前利用膜技术对乳蛋白质进行标准化就简而易行了。由于膜技术具备选择性分离特点，牛乳经过一定的浓缩后各组分的质量比例决定于牛乳的浓缩程度，可通过控制合适的浓缩比实现牛乳的标准化操作。在膜技术对蛋白质进行标准化时，可采用超滤和微滤，它不影响乳蛋白质的性质和结构。脱脂乳通过超滤经过6倍浓缩，在保留液中乳蛋白质的质量分数可从原来的3.75%升高至20%，其他成分如乳糖和盐类则保持原来的5%和1.25%不变，而水分则由原来的90%降到73.75%。在生产中可以根据实际情况计算出需要浓缩的倍数。生产液体乳或乳粉时，通过对乳蛋白质的标准化，可使乳制品生产合理化，提高成品产出率，产生可观的经济效益。

2.7 发酵乳制品中的应用

2.7.1 酸乳等发酵乳

酸乳等发酵乳的一些特性，诸如粘度、乳清分离等，很大程度上取决于非脂乳固体的组成和含量。增加非脂乳固体中蛋白质会改变成品的流变学性质改善酸乳等发酵乳的质构和口感，特别是对于酸乳。金世琳研究发现，在相同的非脂乳固体情况下，超滤酸乳的粘度较用蒸发浓缩的方法或添加脱脂乳粉的办法以增高非脂乳固体的为佳。通过超滤使蛋白质标准化到较高的含量还具有另外的有利之点，酸乳在存贮中超滤酸乳的pH值降低程度显著小于其他2种酸乳。这是因为超滤者具有良好的缓冲能力，而且成品口感风味优良。

2.7.2 干酪

在干酪的制造中，超滤和微滤技术的应用越来越受欢迎。在蛋白质标准化中超滤的使用，特别是在卡门培尔(Camembert cheese)干酪和费塔(Feta cheese)干酪的生产。在其他的干酪制造中，超滤技术具有潜在应用前景，是对于高水分鲜干酪，包括Ricotta类型的产品和酸凝块鲜干酪，如Quarg和Cream cheese的生产。采用超滤工艺技术生产酸凝块鲜干酪，可以提高产率(见表6）。另外，在热处理前利用超滤或微滤的方法部分除去乳清蛋白，同时微滤膜在很大程度除去了形成芽孢的细菌(如Clost ridium tyrobu tyricun菌)。这能够预防在热处理时B-乳球蛋白和K-酪蛋白复合物的形成并提高原料乳的卫生质量然后再进行喷雾干燥等一系列操作，能够生产出一种适合应用于干酪制造的乳粉(如Mozzarella cheese)或者经上一步直接生产出高质量的干酪产品。

表6：生产18%总干物质quarg产品时，脱脂乳原料节省对比

从表6中可以看出，采用超滤法较传统工艺和Thermo-process产脱脂乳酸凝块鲜可以节省11%～13%的原料脱脂乳。此外超滤法生产操作简便，产品中的总干物质含量易于控制而且对pH值的变动不甚敏感，超滤设备较传统生产线设备可以更为灵活多样性的使用既可生产脱脂鲜干酪，也可生产含脂quarg，或稀奶油干酪（cream cheese)。又由于干酪乳经过超滤浓缩，可以节省一部分凝乳酶用量，从而提高了经济效益。

2.8 其他应用

2.8.1 应用超滤技术制备乳铁蛋白

由于超滤法提供了不加热或不发生相变进行大分子质量组分的浓缩、分离，所以它非常适合热敏性的功能性组分的分离。日本学者岛崎敬一于1989年提出了超滤法分离乳铁蛋白(Lf)的新方法，他选用孔径或截留分子量不同的一系列超滤膜，可以以干酪乳清为原料生产Lf基料。于长青研究工艺流程是:原料乳预处理→冷冻保藏→缓化→脱脂→酪蛋白沉淀→乳清→超滤分离→浓缩液→杀菌→干燥→制品。

应用超滤技术制备乳铁蛋白的回收率可达70%左右，浓缩倍数为2.7，超滤操作简便，费用相对较低，易于形成工业化规模，其缺点是制备的乳铁蛋白纯度低，膜需经常处理。此法是生产食品用乳铁蛋白较具实现工业化潜力的方法之一。

2.8.2 超滤法浓缩分离免疫初乳中的抗体

收集经大肠杆菌、沙门氏菌混合疫苗免疫处理的乳牛产后7d之内初乳，经去脂、去酪蛋白后所得免疫初乳乳清，用中空纤维超滤器(分子截留量为100ku)进行浓缩分离，浓缩4.5～7倍，lgG收率在90%以上。为了制得高纯度1gG分离物，可先用35%饱和度的硫酸铵进行盐析，然后再进行超滤脱盐、浓缩，制得的gG浓缩物纯度达80%以上，这一工艺适合于工业化生产。

2.8.3利用膜分离技术和酶技术生产低乳糖牛乳

施正学等提出了一种生产低乳糖牛乳的新工艺即借助膜分离这一新型工程技术手段，对牛乳 行超滤/稀释超滤处理，透过液经β-半乳糖苷酶水解，再与保留液混合、标准化、均质。从而解决了传统工艺中由于牛乳组分复杂，易引起β-半乳糖苷酶污染、失活的问题。牛乳先经稀释超滤处理，去除可能造成β-半乳糖苷酶污染、失活的牛乳中的大分子组分，再将透过液进行浓缩及乳糖的酶法水解，可制得乳糖水解度达80%以上的低乳糖牛乳。

3 存在问题和未来展望

3.1 存在问题

3.1.1 新型膜材料有待开发

随着膜分离技术的发展，要满足实际应用对不同截留分子质量、化学稳定性、较好机械强度和耐污染等综合性能，需要拓宽膜的品种，提高膜的性能，要求发展混合和复合新品种膜。

3.1.2 应改进膜的清洗方法

膜分离技术效率高，效果好，可回收有用组分。但是浓差极化和膜污染问题一直制约着膜技术的发展与应用，膜通量的下降将极大地降低膜的分离效率，导致无法进行较长时间的稳定操作。乳类物质营养丰富，变质快，处理乳类高分子物质，污染是永远无法回避的问题。在生产实践中，膜清洗一般采用洗净剂冲洗，但连续冲洗会造成膜劣化，因此膜的清洗问题尚待进一步研究。

3.1.3 完善膜的分离技术

膜技术是按分子量大小进行的，由于有细孔的分布，单采用膜分离技术效果有限，不适合高度分离，因此有时需要将膜分离工艺与其他分离工艺组合起来应用，使膜分离技术在实际应用中发挥着更大的作用。如乳粉的高度精制就需要与ED膜、离子交换等组合进行，但是这样复杂的组合易引起堵塞，这也是今后值得研究的问题。此外，膜分离技术的产业化应用也有待进一步完善。

3.2 膜技术在未来乳品工业中的展望

3.2.1 乳品分子化

通过膜技术，可以得到高分子的蛋白质如酪蛋白、乳清蛋白和乳糖，同时也可对所得蛋白质进一步分级分离，从而可将牛乳的成分进行重新组合，得到不同功能的乳制品，以满足不同行业的需求。膜分离技术在蛋白质的分离纯化方面具有非常广阔的应用前景，并正向工业化方向发展7;而且对乳品组分进行浓缩与提纯能够保留原有风味。

3.2.2 就地浓缩和环保

由于国内乳牛养殖较分散，给鲜乳运输带来很大困难，如能用车载式膜滤装置进行预浓缩，乳品厂可减少运乳车和储罐的数量，这样可大量节省储运费用;由于减少了体积，还可减少加工过程中加热和冷却的大量能源消耗。此外通过膜滤技术可以减少废水的排放，过滤后的水可排放回自然界;同时，还可将过滤产生的淡盐水喂牛，节约了用水。

综上所述，现代膜分离技术作为一种新型的高新制造技术，因其独特的性能，使得它在乳品工业发展极快，成绩卓著，日益受到各界的关注，展现了广阔的前景，尤其一些新的膜分离技术具有更大的潜力和更强的生命力。相信随着膜分离技术研究的不断深入其在乳品工业中的应用前景将会更加美好。