《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Advances in milk ultrafiltration: A critical overview of module design, processing parameters, and effects on fouling
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摘要背景超滤技术在乳制品行业中应用广泛，是一种用于蛋白质浓缩、部分乳糖去除、矿物质调整和开发高附加值产品的有效方法。然而，膜污染、通量下降、产品组成波动等仍是主要挑战。膜材料、膜构型、进料特性、预处理方式、操作条件等的组合共同影响着超滤的效率。范围与方法本综述将牛奶超滤作为一
摘要
背景
超滤技术在乳制品行业中应用广泛，是一种用于蛋白质浓缩、部分乳糖去除、矿物质调整和开发高附加值产品的有效方法。然而，膜污染、通量下降、产品组成波动等仍是主要挑战。膜材料、膜构型、进料特性、预处理方式、操作条件等的组合共同影响着超滤的效率。
范围与方法
本综述将牛奶超滤作为一个整合工艺过程进行考察，而非单一的分离步骤。文中讨论了膜材料、膜构型、膜性能、操作参数、抗污染策略及产品应用。重点阐述了这些变量之间的相互作用及其对渗透通量、蛋白质截留率、膜选择性、矿物质分配和清洗要求的影响。同时，在下游功能性和加工需求的背景下，还评估了超滤乳在奶酪、乳粉、酸奶和高蛋白乳制品饮料中的应用。文中还重点介绍了在抗污染、膜改性、清洗策略和工艺优化方面的最新进展。
主要发现
主要发现表明，对于牛奶超滤而言，不存在任何一种通用的最优膜材料、孔径、温度或操作条件。工艺设计需要在技术效率、抗污染控制、产品特定功能性、水和能源消耗、清洗成本及经济可行性之间取得平衡。总体而言，亲水性且更光滑的膜表面通常与较低的蛋白质吸附相关；更紧密的膜虽然可以提高截留率，但会牺牲通量；较低的处理温度虽然可以减少某些污染机制，但会增加粘度并降低处理通量。未来的进展将取决于通量和污染数据的标准化报告、新膜的中试和工厂级验证，以及膜性能与最终乳制品质量之间更明确的关联。
引言
近年来，膜过滤技术已成为食品行业的关键技术。较低的资本成本和易于放大的特点使过滤技术在商业规模上成为传统分离技术的有效替代方案。这些技术依赖于半透膜，根据分子大小、电荷和化学亲和力对复杂的食品基质进行分级分离。按照孔径和分子量截留量（MWCO）的不同，膜技术分为四种类型：微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO），图1展示了这些技术的应用。
在所有不同类型的膜技术中，超滤因其在控制牛奶组成方面具有精确调控能力，能够在现代乳制品生产中大行其道，进而推动高附加值乳制品的开发。超滤利用半透膜优先截留大分子和胶体成分，如酪蛋白、乳清蛋白、脂肪球和酶，同时允许水和许多低分子量溶质（包括乳糖和大部分可溶性矿物质）通过进入渗透液。然而，在牛奶体系中，分离效果不仅取决于标称孔径或分子量截留量（MWCO，即分子量截留量），还受膜材料、电荷效应、蛋白质缔合状态、浓差极化和污染等因素的影响。超滤的一些典型应用包括蛋白质浓缩、制备高蛋白乳、降低牛奶中的乳糖含量、浓缩特定蛋白质组分、生产新鲜奶酪和酸奶等。
超滤基于选择性渗透原理运行，分离主要受分子大小控制。然而，分离效率还取决于多种因素，如进料组成、操作温度、膜材料与进料之间的相互作用以及膜表面污染层的形成。尽管该技术应用广泛，但在超滤效率和污染的参数组合方面仍存在研究空白。已有许多综述关注乳清蛋白超滤或废水处理，但本综述聚焦于牛奶超滤。本文的范围涵盖了影响超滤性能的基础知识和相关因素，包括分析膜材料、孔径、操作温度和进料组成如何影响分离性能和产品质量。本综述主要关注牛奶超滤以及超滤乳在不同产品中的应用。
综上所述，这些因素共同将超滤定义为一个需要同时评估分离性能、污染行为和产品质量的工艺过程，而非独立的因素。
章节片段
超滤基础
超滤（UF）是一种压力驱动的膜分离技术，广泛用于浓缩和分级液体流中的蛋白质和其他大分子成分，主要基于尺寸选择性。在超滤过程中，进料流经由半透膜，允许水和许多低分子量溶质通过进入渗透液，而较大的大分子和胶体成分则被优先截留在浓缩液中（Reig et al., 2021）。膜选择性
超滤膜材料
超滤中基于压力驱动和浓度梯度的组分分离取决于膜的筛分效率（Kammakakam & Lai, 2023）。膜材料分为有机膜和无机膜两大类。聚合物膜属于有机膜，主要根据目标孔径、pH范围和温度由聚醚砜（PES）、聚酰胺（PA）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚砜（PS）组成。此外，
超滤膜的构型
卷式、板式、管式和中空纤维式是最常见的超滤膜构型。图2展示了这些膜构型的排列方式。膜构型的选择通常需要考虑较大的面积体积比、坚固的结构、易于清洗以及膜替换的便利性（Tamime, 2013）。卷式膜构型由多层膜片层层堆叠并卷绕在一根多孔中心管周围组成，形成进料通道和渗透液通道。
超滤膜的表面特性
膜的孔隙率、表面疏水性、表面电荷和表面粗糙度等性能会影响分离效率（Qu et al., 2014）。分子通过膜的选择性和渗透性取决于孔径及其分布。膜的孔径可以用分子量截留量（MWCO）表示，定义为90%的目标分子被截留或拒绝时的分子量（Xu et al., 2017）。总体而言，增加MWCO或孔径会提高渗透通量。
牛奶类型对超滤性能的影响
所使用的牛奶类型和预处理策略在优化超滤过程中起着关键作用。不同类型牛奶的组成差异会影响膜选择性、渗透通量、污染倾向以及浓缩液和渗透液的质量。目前关于超滤的大部分研究都是基于牛奶的，因此本文不对其中的细节进行讨论。Moreno-Montoro等人（2015）使用50 kDa的聚合物膜进行山羊奶超滤并观察到
操作条件对超滤性能的影响
温度、跨膜压力（TMP）、错流流速（CFV）和体积浓缩因子（VCF）等操作条件是控制乳制品超滤中渗透通量、溶质分配和污染行为的主要调节手段。
低温在膜处理中更为理想，因为它能抑制微生物生长并减少蛋白质变性。然而，低温会增加粘度并导致通量下降。相比之下，较高温度会增加
透析滤过
超滤在工业上通常与透析滤过结合使用。为了减轻溶质积聚并改善低分子量成分（如乳糖、可溶性矿物质）的去除，通常会采用透析滤过。在该过程中，在超滤过程中向浓缩液中注入新鲜水或渗透液，以冲洗掉可渗透的溶质，从而在保持蛋白质浓度的同时减少可溶性污染物（Brans et al., 2004）。然而，由于稀释效应，透析滤过会影响离子环境。Ferrer等人
超滤在不同产品制造中的应用
近年来膜技术的改进增加了超滤在不同产品制造中的使用。各种奶酪、酸奶和饮料都使用超滤乳作为原料生产。不同类型的含蛋白质乳蛋白浓缩粉也由超滤浓缩液生产。以下讨论了超滤在不同产品中的应用。
牛奶超滤中的污染与抗污染控制
超滤中的膜污染是指进料组分在膜表面或其孔隙中沉积或积累，导致性能下降，通常表现为渗透通量降低和选择性改变。来自一家工业牛奶超滤厂的污染物分析发现，沉积物包含蛋白质（约50%）、矿物质（约30%灰分，主要为钙/磷）和微生物细胞（约10%，主要为革兰氏阳性杆菌），以及水分（Shi et al., 2014）。污染机制、影响及
结论
本综述表明，牛奶超滤应被理解为一个整合工艺过程，其中膜设计、进料组成、操作条件、抗污染控制和最终产品功能性紧密关联。如表6所示，某一方面的改进往往会在另一方面产生限制，例如较高的通量伴随着更大的污染，改进的组成控制伴随着更高的水或能源消耗，或者蛋白质浓度的增加伴随着成分的
贡献声明
Suchismita Roy：概念设计、撰写原始初稿、调研、撰写与修改及编辑。Gagan Gandhi：撰写原始初稿、撰写与修改及编辑。Kavya Dileep：撰写原始初稿。Guru Yeshwanth Subbiah Prabhakaran：撰写原始初稿。
生成式人工智能使用声明
在准备本工作期间，作者使用了 [CoPilot] 进行校对。作者对输出内容进行了审查和必要的编辑，并对已发表文章的内容承担全部责任。
利益冲突声明
作者声明本手稿的研究、撰写和发表未获得任何财务支持或资金资助。作者声明不存在利益冲突。
Suchismita Roy|Gagan Gandhi|Kavya Dileep|Guru Yeshwanth Subbiah Prabhakaran
美国明尼苏达大学食品科学与营养系，明尼苏达州圣保罗市，55114，美国
