《Food Chemistry》：Nutritional and metabolite composition characteristics of acid whey retentates obtained by membrane separation
编辑推荐：
摘要
多阶段膜分离技术根据分子大小对酸乳清进行分级，但人们对不同分离阶段中营养/生物活性成分的选择性富集模式及其高价值利用机制仍了解有限。本研究应用了微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）等膜分离方法处理酸乳清，并评估了各分离液中营养成分和代谢产物的差异，旨
摘要
多阶段膜分离技术根据分子大小对酸乳清进行分级，但人们对不同分离阶段中营养/生物活性成分的选择性富集模式及其高价值利用机制仍了解有限。本研究应用了微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）等膜分离方法处理酸乳清，并评估了各分离液中营养成分和代谢产物的差异，旨在识别富含寡肽和功能性物质的组分。结果显示，在微滤、超滤、纳滤和反渗透分离液中，大分子蛋白质、寡肽、乳糖和盐类分别得到了选择性富集。其中，超滤分离液中含有16种氨基酸和6种脂肪酸，含量显著高于其他分离液。膜分离显著改变了代谢产物谱，共检测到1806种代谢产物。超滤分离液中的某些功能性成分（如康瓦洛苷和二肽Arg-Pro、Lys-Pro）表现出较强的DPPH/OH·清除活性、抗氧化能力以及降低亚硝酸盐和胆固醇浓度的作用。这些发现表明酸乳清在功能性食品和制药领域具有广泛应用潜力。
引言
酸乳清是传统奶酪生产过程中的副产品，通过酸诱导凝固、分离和絮凝等工艺获得，呈半透明黄绿色液体。通常，奶酪生产与酸乳清的产率比例可达1:9，即每生产1吨奶酪会产生9吨酸乳清（张等人，2023年）。在国际上，酸乳清被用作动物饲料或食品蛋白添加剂；然而在中国，其利用率较低。例如，在内蒙古地区，75%-85%的酸乳清被作为废水排放（李等人，2010年），导致资源浪费和环境污染。因此，亟需对酸乳清成分进行全面分析和利用。
酸乳清营养价值较高，保留了原始牛奶55%的营养成分，干物质含量较高（6%-8%），包含粗蛋白（约1%）、粗脂肪（0.3%-0.4%）、总糖（3%-5%）以及多种矿物质和水溶性维生素（史，2021年）。崔等人（2012年）将过滤后的酸乳清与脱脂牛奶混合，添加稳定剂后进行均质化、调酸和调味，制备出味道酸甜可口、稳定性良好的饮品。佩斯库马等人（2010年）使用嗜热链球菌CRL 804、保加利亚乳杆菌CRL 454和CRL 656及嗜酸乳杆菌CRL 636发酵酸乳清粉WPC35，发现经过12小时和24小时发酵后β-乳球蛋白和α-乳球蛋白部分降解，释放出小肽和必需氨基酸。萨博克巴尔等人（2015年）用开菲尔菌发酵酸乳清，发现水解后的β-乳球蛋白和α-乳球蛋白衍生物具有抗氧化活性。
然而，目前关于酸乳清利用的研究尚未充分考虑到其复杂成分及其物理化学性质，如乳清蛋白、肽、乳糖、乳酸、盐类和活菌。由于酸乳清的高酸度、高盐分、高糖分及高氨基酸浓度等特性，单纯通过发酵或调味处理得到的产品容易迅速变质，风味不稳定，并可能引发胃肠道问题（如腹泻）。这些挑战限制了酸乳清的有效利用，使其成为工业开发的瓶颈。
膜分离技术在酸乳清加工和高价值利用中发挥着重要作用。作为一种先进的纯化技术，该技术具有操作简单、分离效率高、能耗低且可在常温下运行的优势。在酸乳清处理中，膜分离可以实现营养成分的选择性分离和富集：超滤可以保留大分子（如蛋白质），提高其浓度；纳滤则能去除盐类和小分子杂质，提升产品质量。此外，膜分离技术可与发酵和酶水解等互补技术结合，释放酸乳清的潜在价值。
现有研究大多集中在单一膜技术（如超滤或纳滤）或简单组合工艺上，难以实现对酸乳清中不同分子量成分（如大分子蛋白质、功能性肽、乳糖和矿物盐）的系统性分离和协同富集。例如，杨宝玉等人利用微滤技术分离了 goat milk 中的乳糖和蛋白质，制备了低乳糖乳制品；在果蔬汁加工中，蔡明等人（2020年）结合超滤和纳滤实现了葡萄汁中多酚和总糖的协同浓缩；孔繁皮（2012年）采用“微滤+超高温灭菌”工艺灭活牛乳中的纤溶酶活性，延长了产品保质期。尽管这些研究在特定成分的分离、纯化或协同浓缩方面取得了一定成果，但其工艺设计较为简单，通常仅针对一两种成分进行分离和富集，无法系统地分离酸乳清中的多种不同分子量成分，更难以实现这些组分的高效回收和协同增值利用。
本研究创新性地采用了多阶段膜分离工艺，包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）。通过孔径梯度分离机制，构建了专门适用于酸乳清的连续级联分离系统。与文献中的单步或两步分离方法相比，该方法首次实现了从大分子去除到功能性肽富集，再到乳糖浓缩和盐类保留的整个过程的精确分离，显著提高了目标成分的回收率和产品选择性，为酸乳清的高效资源利用提供了创新方案。
章节摘录
材料
脱脂酸乳清：来自传统蒙古干酸奶（aaruuul）生产过程，进一步离心去除剩余脂肪。由正兰琴长虹乳制品厂提供。
微滤（MF）膜：孔径为200纳米的有机膜（型号：30–19）。超滤（UF）膜：孔径为50纳米的有机膜（型号：2540）。纳滤（NF）膜：孔径为2纳米的有机膜（型号：2540）。反渗透（RO）膜：有机膜
乳清分离液营养成分的比较分析
图2展示了微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）分离液的常规营养成分。原始酸乳清作为基准对照，通过比较其与其他分离液之间的差异来评估膜分离的选择性保留和富集效果。酸乳清富含乳清蛋白、乳糖和脂质等营养成分。
结论
本研究采用多种膜分离技术处理酸乳清，并系统评估了不同分离阶段分离液的营养和代谢差异，重点研究了富集寡肽组分的特性和功能性。所采用的多阶段级联工艺包括微滤（MF，孔径200纳米）和超滤（UF，孔径50纳米）
作者署名声明
夏延安：撰写初稿、软件开发、方法学设计、数据管理、概念构思。李璐：撰写初稿、软件开发、数据管理、概念构思。文青：软件开发、方法学设计、数据管理。双泉：撰写审查与编辑、 supervision、资源协调、资金获取。孙利山：结果验证、资源协调、资金获取。查牧酥：结果验证、资源协调、方法学设计、实验研究。陈永福：结果验证、 supervision、实验研究、资金获取。
Dink?i, Akdeniz 和 Akal?n, 2023Dong 等人, 2017Malacarne, Martuzzi, Summer 和 Mariani, 2002Wang, 2021Yang, 2019Zhang, 2021
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中央指导项目（项目编号2024ZY0032）、锡林郭勒盟“挑战与响应”项目（项目编号XMGD-202302）和内蒙古自治区自然科学基金（项目编号2025YQ026）的支持。
夏延安|李璐|文青|双泉|孙利山|查牧酥|陈永福
