中空纤维膜微滤脱脂乳的工艺优化：膜长度、错流速度和渗滤周期对酪蛋白-乳清蛋白分离效率的影响

本研究针对乳品工业中脱脂乳酪蛋白(CN)与乳清蛋白(WP)高效分离的需求，通过中空纤维膜(HFM)在10°C条件下系统探究了膜长度(300/750 mm)、错流速度(0.5-2 ms-1)和渗滤循环(DF)对分离效率的影响。研究发现膜长度不影响通量和蛋白透过率，而提高错流速度可增加通量；VRF 2.5时采用0.5 bar跨膜压力和RO水渗滤可获得最高乳清蛋白去除率(β-lg达85%)，但超过3个DF循环会降低乳清蛋白纯度。该研究为乳品工业提供了低温条件下HFM分离工艺的优化方案。

　　

在乳品工业中，将脱脂乳中的酪蛋白(casein)与乳清蛋白(whey protein)高效分离是生产高附加值乳制品的关键步骤。传统方法多采用陶瓷管式膜(CTM)或螺旋卷式膜(SWM)，但前者成本高易碎，后者易污染。中空纤维膜(HFM)因其高装填密度和良好抗污染性逐渐受到关注，但关于其在低温(10°C)条件下分离性能的系统研究仍属空白。尤其对膜长度、错流速度等关键参数如何影响分离效率，以及RO水作为渗滤介质时的最佳工艺条件缺乏深入认知。

荷兰瓦赫宁根大学的研究团队在《International Dairy Journal》发表的研究，首次系统评估了HFM在10°C条件下分离脱脂乳蛋白的性能。研究采用两种长度(300/750 mm)的聚醚砜(PES)HFM模块，通过控制跨膜压力(0.2-1 bar)、错流速度(0.5-2 ms^-1)和渗滤循环次数(1-4次)，结合高效分子排阻色谱(HPSEC)分析蛋白组成。关键发现包括：膜长度不影响稳态通量(约30 Lm^-2h^-1)和蛋白透过率；提高错流速度可通过增强剪切应力(21-45 Pa)减薄浓度极化层厚度(从1.2×10^-4降至6×10^-5 m)；VRF 2.5时采用0.5 bar压力和3次DF循环可获得最佳β-lg去除率(85%)和酪蛋白纯度(96%)，但继续增加DF循环会导致酪蛋白渗漏(达0.7 gL^-1)而降低乳清蛋白纯度。

研究采用的主要技术包括：1) 使用配备数字压力传感器和体积流量计的试验级过滤系统，在10°C恒温条件下操作；2) 采用HPSEC(TSK G400SWxl和53000SWxl色谱柱)定量分析酪蛋白和乳清蛋白(β-lg、α-la、IgM)浓度；3) 通过计算浓度极化层厚度(δ_CPL=d/2×(1-(1-2.55Re^-0.33Sc^-0.33x/d)^0.5))和质量转移系数(k=Sh×D_casein/d)评估膜污染；4) 使用RO水进行间歇式渗滤，每次添加与渗透液等体积的渗滤介质。

3.1 错流速度对通量和蛋白透过率的影响
研究发现通量随错流速度呈幂律增长(J∝Re^0.5)，在2 ms^-1时达峰值(35 Lm^-2h^-1)。β-lg透过率在0.2 bar时最高(30%)，随压力增加而降低，源于高压下酪蛋白层孔隙率下降。质量通量分析显示β-lg最大输送率为35.3 gm^-2h^-1。

3.2 膜长度的影响
300 mm与750 mm模块的通量差异仅1-2 Lm^-2h^-1(p=0.852)，β-lg透过率均为25-30%。长模块因压力损失需更高最小跨膜压力(0.4 vs 0.2 bar)。

3.3 浓缩过程的影响
VRF从1增至3时通量下降40%，β-lg透过率从35%降至25%。VRF 2.5时获得最佳质量通量平衡，与Schopf等报道一致。

3.4 渗滤工艺优化
使用RO水渗滤使通量提升30%，因粘度降低和盐分洗脱改变酪蛋白层结构。VRF 2.5结合3次DF循环实现β-lg去除率85%、α-la 96%，但DF超过3次会使酪蛋白纯度从96%降至90%。指数模型预测达到99%β-lg去除需13-29次DF循环，但会消耗8000-9686 L/1000L原料乳。

该研究确立了HFM在低温脱脂乳分离中的工艺基准：1) 膜长度选择应基于系统压力限制而非分离效率；2) 1.5 ms^-1错流速度和0.5 bar压力为最佳操作点；3) VRF 2.5结合3次DF循环在效率与纯度间取得最佳平衡。特别值得注意的是，RO水作为渗滤介质虽会改变酪蛋白层结构，但仍是可行选择。这些发现为乳品工业提供了替代CTM/SWM的低成本解决方案，尤其适合热敏感产品(如婴儿配方奶粉)的生产。研究揭示的浓度极化层动态变化规律，也为其他食品蛋白分离工艺开发提供了理论参考。