脉冲电场耦合纳滤预浓缩技术提升酸乳清电渗析脱矿与乳酸去除效率及其对喷雾干燥粉品质的影响

本研究针对酸乳清高乳酸和钙含量导致的干燥难题，创新性地将纳滤(NF)预浓缩与脉冲电场(PEF)电渗析(ED)技术耦合，系统比较了PEF 5?s/5?s、PEF 15?s/15?s与连续电流(CC)模式的脱矿效果。结果表明，PEF 5?s/5?s使钙、镁去除率分别提升35.1%和47.0%，干燥得率达90.35%，较NF单独处理提高18.86个百分点，显著降低粉末吸湿性。该研究为乳品工业废弃物高值化利用提供了创新技术路径。

　　

酸乳清作为希腊酸奶和新鲜奶酪生产的副产品，每年全球产量高达1.9亿吨，占乳品废物流的83%。这种富含营养的废弃物却因高乳酸(7.22±0.63 g/L)和高钙(1.55±0.12 g/L)含量成为行业痛点——乳酸和钙的强吸湿性会降低玻璃化转变温度，导致喷雾干燥时设备堵塞、粉末结块，目前主要用作低价值的动物饲料或肥料。如何实现酸乳清高值化利用，成为推动乳品行业循环经济(CE)发展的关键挑战。

加拿大Lactalis公司的研究人员在《Desalination》发表的研究中，创新性地将纳滤(NF)预浓缩与脉冲电场(PEF)电渗析(ED)技术耦合，系统评估了不同电渗析模式对酸乳清脱矿和干燥性能的影响。研究采用工业级酸乳清(4批次)，先通过NF膜(150-300 Da)浓缩4.33倍，再分别采用CC、PEF 5?s/5?s和PEF 15?s/15?s三种ED模式处理至70%脱矿率，最后通过旋转蒸发浓缩至55°Brix并进行喷雾干燥。关键指标包括离子迁移率、能耗、干燥得率及粉末吸湿性等。

3.1 纳滤预浓缩效果
NF处理使酸乳清体积浓缩4.33倍后，钙、镁、乳酸和乳糖浓度分别提升46.7%、93.3%、25.8%和164.1%。特别值得注意的是，NF对二价离子的选择性截留使镁浓度增幅显著高于单价离子，这为后续ED处理创造了有利条件。

3.2.1 乳酸与乳糖迁移
所有ED条件均实现46.3%乳酸去除，但迁移动力学呈现阶段性特征：0-10%脱矿率时仅去除2.8%乳酸，而50-70%阶段去除率达30.7%。乳糖因电中性保持稳定，证实ED对带电分子的选择性分离机制。

3.2.4 矿物质选择性脱除
PEF 5?s/5?s展现出卓越的二价离子选择性，钙、镁去除率分别达77.2%和58.2%，较CC模式提高25.1%和47.0%。ED离子迁移顺序在PEF作用下发生重构：CC模式为K>Na~Ca~P>Mg，而PEF 5?s/5?s转为Ca>K>P~Na~Mg，这种选择性增强与脉冲间歇期浓度极化(CP)的恢复密切相关。

3.2.7 干燥性能突破
PEF 5?s/5?s处理组的干燥得率创90.35%新高，较NF单独处理提升18.86个百分点。粉末吸湿性测试显示，PEF 5?s/5?s样品吸湿值(2.89±0.54 g/100g)显著低于CC组(5.51±1.20)，证实二价离子与乳酸协同去除对改善粉末品质的关键作用。

该研究首次证实NF-PEF ED耦合技术的工业化潜力：预浓缩解决传统ED膜污染难题，PEF 5?s/5?s脉冲模式则通过调控离子迁移顺序，实现钙镁高效脱除。干燥得率的大幅提升意味着设备清洗周期延长和生产成本降低，而回收的乳酸和矿物质可进一步用于食品添加剂或肥料，真正实现"变废为宝"。研究为乳品工业提供了一条从废弃物处理到高值产品转化的完整技术路径，对推动行业可持续发展具有重要实践意义。