综述：基于膜分离技术的乳蛋白分级分离用于高值乳制品配料的生产——系统综述

《Processes》：Membrane-Based Fractionation of Milk Proteins for the Production of High Value Dairy Ingredients—A Systematic Review

　　

基于膜分离的过程已成为传统分离方法的高效替代方案，因为它们能够在温和的加工条件下实现蛋白质分级分离，同时保留蛋白质的功能性和生物活性。此外，乳清传统上被视为干酪制造的副产物，现在被公认为蛋白质和生物活性化合物的宝贵来源，可通过膜处理进行回收和增值利用。尽管如此，基于膜技术的蛋白质分级分离工艺在不同膜技术和操作规模方面的文献仍然有限。本系统综述评估了微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）在乳蛋白分级分离中的应用，重点关注工业相关性、工艺局限性以及所得的高值蛋白质组分。与以往的叙述性综述不同，本研究整合了比较性能指标，包括压力、蛋白质回收率、纯度、工艺局限性和所得产品。遵循PRISMA指南进行系统综述的筛选和资格评估，最终55项研究被纳入定性综合分析。分析表明，UF始终能够实现高蛋白质回收率（>90%），并且代表了生产乳清蛋白浓缩物和分离物的主导工业技术，尽管其效率受到浓度极化和在高体积浓缩因子下流速下降的限制。因此，未来的研究应优先考虑综合性能报告、定量测量和可持续性指标的整合，以实现膜基乳品技术更稳健的工业应用。此外，需要更多基于标准化工业性能指标和商业案例研究的报告，以支持膜技术在乳品加工中更广泛的采用和优化。

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   引言

乳蛋白因其高营养品质、均衡的氨基酸组成和广泛的功能特性而成为乳中最有价值的成分之一。除作为必需氨基酸的来源外，它们还在质地形成、乳化、持水能力和整体产品稳定性方面发挥重要作用。因此，乳源蛋白配料已成为婴幼儿配方食品、运动营养产品、临床营养配方和功能性食品的关键组分。膜技术（包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）和透析过滤（DF））在乳品工业中被广泛用于蛋白质浓缩、分级分离、脱盐和乳品侧流增值。这些技术能够选择性分离酪蛋白胶束和乳清蛋白，生产乳清蛋白浓缩物（WPC）和乳清蛋白分离物（WPI），以及回收具有增强营养和技术价值的生物活性蛋白质组分。与传统的热处理工艺相比，膜技术具有更高的能源效率、更大的工艺灵活性和更好的蛋白质功能性保留。然而，膜工艺面临膜污染、浓度极化和工艺参数与进料组成之间复杂相互作用的挑战，导致实际性能常低于理论预测。尽管已有大量研究探讨了单一膜技术和特定乳品应用，但对用于生产高值乳品配料的膜基分级分离策略的综合评估仍然有限。因此，本系统综述旨在评估当前膜基乳蛋白分级分离方法，总结影响工艺性能的主要因素，并评估其对高值乳品配料生产和乳品侧流可持续增值的贡献。

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   材料与方法

本研究遵循PRISMA 2020指南，包含识别、筛选、资格评估和纳入四个阶段。在Scopus、Web of Science、Science Direct、PubMed和Google Scholar数据库中进行了系统性文献检索，检索期限为2000年至2026年3月。检索策略采用布尔表达式：（“milk protein” OR casein OR “whey protein” OR “milk-derived protein”）AND（“microfiltration” OR “ultrafiltration” OR “nanofiltration” OR “reverse osmosis” OR diafiltration OR membrane）AND（fractionation OR separation OR concentration OR purification OR isolation）。经过去重和筛选，最终55篇同行评审研究被纳入定性综合分析。数据提取框架涵盖了作者及年份、乳基质、膜技术、膜材料和孔径或分子量截留值（MWCO）、操作条件（温度、跨膜压力（TMP）、错流速度、pH）、蛋白质回收率和透过率、纯化度、特定乳品配料生产、技术局限性和主要结论等信息。由于实验设计、膜配置、操作条件和报告指标的异质性较大，未进行统计合并（荟萃分析）。

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   结果与讨论

3.1 与膜分离相关的乳蛋白组分

酪蛋白约占乳总蛋白的80%，以直径20至300 nm的胶体胶束形式存在，其较大的粒径使其能在MF过程中有效截留，用于生产micellar casein concentrates（MCC）。乳清蛋白约占20%，其中β-乳球蛋白和α-乳白蛋白占乳清蛋白组分的近70%。其分子尺寸显著小于酪蛋白胶束，可在UF过程中被截留，而水、乳糖、矿物质等低分子量组分则进入渗透液。这种显著的尺寸差异是膜分级分离的基础。酪蛋白胶束的结构稳定性受磷酸钙平衡、pH、离子强度和温度的强烈影响，这些因素直接影响膜分离性能和产品质量。

3.2 膜技术的比较与批判性性能分析

MF（约0.1 μm孔径）可截留酪蛋白胶束（50-500 nm），而较小的乳清蛋白（3-6 nm）、乳糖和矿物质则透过膜。优化条件下乳清蛋白透过率通常为70%-80%，结合DF可达约95%。然而，高温处理（>78°C）会导致乳清蛋白变性并与酪蛋白胶束相互作用，降低选择性。UF是乳品工业中应用最广的膜过程，是乳清蛋白浓缩和纯化的行业标准，蛋白质回收率通常>85%，结合DF纯度可达90%以上。但高体积浓缩因子（VCF）下截留液黏度增加和浓度极化会渐进降低渗透通量。DF通过向截留液中加水或替代洗涤介质去除乳糖和矿物质盐，是生产蛋白质含量>90%的WPI的关键，但会增加水耗和废水。NF主要用于乳糖浓缩和部分脱盐，RO主要作为预浓缩步骤以减少下游蒸发的能耗。集成膜系统（MF+UF+DF+NF/RO）比单级操作表现更优，能同时提高蛋白质回收率、产品纯度和整体工艺效率。

3.3 工艺参数与膜材料的影响

操作条件是膜分离性能的主要决定因素。温度升高可降低进料黏度并提高传质，但过高温度会诱导乳清蛋白变性和矿物质沉淀。pH接近酪蛋白等电点时蛋白质聚集增加，促进膜沉积。错流速度增加可产生更大剪切应力，减少蛋白质积累，但会增加能耗。跨膜压力（TMP）超过临界阈值后，污染层压缩和孔隙堵塞会限制通量增长。聚合物膜因成本低和操作灵活性占主导地位，陶瓷膜（尤其是Al₂O₃）则具有优异的热、化学和机械稳定性，主要用于MF。聚酰胺螺旋卷式NF膜用于脱盐和纯化。膜材料选择取决于目标分离机制、所需产品特性和工艺要求。

3.4 酪蛋白与乳清蛋白的分级分离

MF是分离酪蛋白胶束和可溶性乳清蛋白的首选技术，可生产micellar casein concentrates并同时提取天然乳清蛋白。UF/DF组合是生产WPI的优选工业方法，纯度常>90%。近年来，选择性提取单个乳清蛋白组分（特别是α-乳白蛋白和β-乳球蛋白）的兴趣日益增长。结合选择性热处理（pH 3.0-4.6）和膜过滤可有效分离这两种蛋白。集成膜策略在蛋白质分离、纯度和工艺灵活性上均优于单级过程。典型的集成流程为：脱脂乳经MF产生富含酪蛋白的截留液和富含乳清蛋白的渗透液；渗透液经UF获得WPC，再经DF生产WPI；WPI可进一步分离为α-乳白蛋白和β-乳球蛋白富集组分；NF和RO则用于脱盐、浓缩和脱水。

3.5 高值乳品配料的生产

α-乳白蛋白和β-乳球蛋白因独特的营养和功能特性而备受关注。α-乳白蛋白色氨酸含量高，热稳定性较好，在婴幼儿配方食品中价值显著；β-乳球蛋白具有游离巯基和两亲性，乳化性和起泡性优异。WPC蛋白含量通常在35%-75%，WPI则>90%。其组成和功能性受乳清类型（甜乳清或酸乳清）、奶酪工艺条件、pH、热处理、酶凝、预处理、膜过滤参数和干燥条件等多种因素影响，导致溶解性、乳化性、起泡性、凝胶形成等性质变异较大。膜技术与酶解或发酵结合可用于生产具有抗氧化、抗菌、抗高血压等活性的生物活性肽。膜衍生的乳蛋白配料广泛应用于酸奶、肉类制品等多种食品中，但其最佳利用仍依赖于对加工条件的精确控制和膜分级分离技术的标准化。

3.6 膜基乳蛋白分级分离的技术挑战

膜污染和浓度极化是影响工艺性能的最主要挑战。浓度极化在膜表面形成局部浓度梯度，降低传质速率；膜污染则由蛋白质、矿物质、微生物细胞和胶体颗粒沉积引起，增加水力阻力。乳清蛋白在不利条件下易变性和聚集，矿物质污染主要与磷酸钙沉淀有关。操作条件对污染强度影响显著：高温增加变性风险，过高TMP加速沉积。UF过程中渗透通量可能下降约35%，延长加工时间。清洗在位（CIP）程序虽必要，但增加化学品、水和废水处理成本，并造成非生产停机。不可逆污染缩短膜寿命，影响选择性，并可能导致有价值蛋白损失。尽管存在这些限制，膜系统在中小型乳品厂仍具经济可行性，投资回收期约三年，但盈利能力对污染和控制高度敏感。DF过程在提高纯度的同时也增加了水耗和废水，需在可持续发展框架下解决。

3.7 纳米复合膜的管理和安全考虑

纳米复合和表面改性膜虽提升了渗透性、选择性和抗污染性，但其含有的纳米材料需符合食品接触法规。欧盟法规（EC）No 1935/2004规定了食品接触材料的一般安全要求；针对塑料中的纳米物质，委员会法规（EU）No 10/2011要求明确授权。欧洲食品安全局（EFSA）2021年指南建议对纳米材料进行全面理化表征、迁移评估及毒理学测试。美国FDA也要求制造商证明纳米技术不会改变食品接触材料的安全性。主要担忧是加工过程中纳米颗粒从膜基质迁移到食品中，尽管现有研究表明正常操作下迁移极少，但长期工业和重复清洗条件下的数据仍然有限。

3.8 研究空白与未来研究重点

当前研究多集中于实验室或中试规模，缺乏长期工业运行数据。现有膜系统对单个乳清蛋白组分的分离选择性仍有限，常需结合热处理、pH调整或色谱技术。膜污染仍是最大障碍，未来应聚焦于先进抗污染材料、表面改性、动态过滤系统和实时监测技术。人工智能、机器学习和数字孪生在膜工艺优化中的应用尚待探索。DF过程中的水耗和废水问题也需要更多可持续解决方案。总体而言，未来进展将依赖先进膜材料、混合处理系统、数字过程控制和可持续制造理念的整合。

1. 4.
   结论

膜基分级分离已成为现代乳品加工中的一项关键技术，能够选择性分离、浓缩和纯化乳蛋白，同时保留其营养和功能特性。UF和DF是最广泛应用的蛋白浓缩和纯化技术，MF特别适合回收天然乳清蛋白和micellar casein。尽管优势明显，膜污染、浓度极化和通量下降仍限制工艺效率，强调需要优化操作条件、适当进料预处理和改进膜材料。未来研究应侧重于工业规模验证、技术经济可行性和环境可持续性，以促进更广泛的商业实施。膜基分级分离代表了生产下一代乳品配料的通用且可持续的平台，有望在满足高品质蛋白质产品需求方面发挥日益重要的作用。