陶瓷膜冷微滤技术在婴儿配方奶粉β-酪蛋白与乳清蛋白协同富集中的中试优化研究

为解决婴儿配方奶粉(IMF)与母乳营养差异问题，研究人员采用三级串联陶瓷膜冷微滤系统(0.14/0.2 μm)，优化跨膜压力(TMP)、体积浓缩因子(VCF)和温度等参数，实现β-酪蛋白(β-CN)与乳清蛋白的高效共富集。结果表明0.14 μm膜在140 kPa、VCF=3、15°C条件下效率最佳，渗透液中β-CN占比达89.1%，乳清蛋白/酪蛋白比例接近母乳的60:40，为工业化生产提供关键技术参考。

　　

母乳是婴儿最理想的营养来源，但无法母乳喂养时，婴儿配方奶粉(IMF)成为重要替代品。然而，牛乳与母乳蛋白质组成存在显著差异：牛乳中乳清蛋白与酪蛋白比例约为20:80，而母乳中约为60:40；且母乳中β-酪蛋白(β-CN)占总酪蛋白的65%，牛乳中仅占36%。这种差异导致牛乳在婴儿胃中形成的凝块较硬，消化速度较慢。如何通过技术手段调整IMF蛋白质组成，使其更接近母乳，成为乳品工业的重要课题。

传统化学法（如选择性溶解沉淀）可能引入外源物质，而冷微滤技术通过物理分离实现β-CN与乳清蛋白共富集，更符合清洁标签趋势。虽然已有实验室规模研究，但中试规模数据缺乏，难以指导工业化生产。针对这一瓶颈，来自中国的研究团队在《Applied Food Research》发表论文，首次采用三级串联陶瓷膜系统（总膜面积7.35 m²），系统优化膜孔径、TMP、VCF和温度等关键参数，建立可放大的生产工艺。

研究采用多学科技术联用策略：通过SDS-PAGE电泳定性分析蛋白质组成；凯氏定氮法测定总氮(TN)、非蛋白氮(NPN)和非酪蛋白氮(NCN)，计算真实蛋白(TP)、酪蛋白(CN)和乳清蛋白含量；反相高效液相色谱(RP-HPLC)精确量化β-CN、α-乳白蛋白(α-la)和β-乳球蛋白(β-lg)；实时监测渗透通量评估过滤效率。实验原料采用内蒙古蒙牛集团提供的脱脂乳，经55°C离心脱脂和72°C/15 s巴氏杀菌后，4°C冷藏18小时诱导β-CN从胶束解离。

膜孔径优化：0.14 μm vs 0.2 μm
电泳显示两种孔径膜均能有效富集β-CN和乳清蛋白，但0.14 μm膜渗透通量稳定在17 L·m^-2·h^-1，而0.2 μm膜70分钟后通量骤降至0，表明其更易堵塞。RP-HPLC定量显示0.14 μm膜对α-la的富集效果更优（0.50 vs 0.43 mg/mL），而β-CN富集量相当（0.68 vs 0.71 mg/mL）。

跨膜压力(TMP)影响
在50-140 kPa范围内，140 kPa时系统最稳定，阶段1通量达14 L·m^-2·h^-1。电泳条带显示β-CN富集量随TMP升高而增加，但RP-HPLC揭示140 kPa时α-la含量(0.54 mg/mL)反而低于110 kPa(0.63 mg/mL)，可能与校准品误差有关。

体积浓缩因子(VCF)选择
VCF=3时系统效率最高，阶段2通量达35 L·m^-2·h^-1。有趣的是，凯氏法测得乳清蛋白含量随VCF升高而略降（3.5时为0.15%），但RP-HPLC显示β-lg在VCF=3.5时达2.48 mg/mL，凸显方法学差异。

温度调控的二元效应
15°C为最佳平衡点：低于此温度时β-CN解离充分（10°C渗透液含0.59 mg/mL），但体系粘度过高；高于15°C虽提高通量（25°C阶段3通量75 L·m^-2·h^-1），但β-CN重结合导致其含量下降35%。温度对乳清蛋白呈正向影响，为定制不同蛋白比例产品提供新思路。

该研究首次实现中试规模β-CN与乳清蛋白连续化共富集，突破传统单级膜系统通量低、易堵塞的局限。优化后的三级膜系统可在15°C（较常规4°C节能）下稳定运行，渗透液蛋白组成中β-CN占酪蛋白89.1%，乳清/酪蛋白比达60:40，与母乳高度接近。所得微滤渗透液经10 kDa超滤除乳糖后，可喷雾干燥制成IMF蛋白基料。工艺参数直接关联工业化设备选型，如选用0.14 μm而非0.2 μm膜可降低能耗30%。研究不仅填补了实验室成果与产业应用的鸿沟，其发现的温度对蛋白组成的调控规律，更为开发个性化营养配方开辟了新途径。