甜性乳清粉生产与乳糖结晶的应用

一、引言

乳清（Whey）主要是生产干酪（Cheese）所得到的一种副产品。每生产1吨干酪，大约就有8棗9吨的乳清排出，乳清中大约有6%的干物质，占原料乳总干物质的一半，其中乳糖的含量占70%能上以上，乳清蛋白占牛乳总蛋白的20%，牛乳中所含的维生素和矿物质大多在乳清中。干酪乳清的基本组成和甜性乳清粉中水溶性维生素含量如表1和表2所示。表1：干酪乳清总干物质组成 %

表2：甜性乳清粉中水溶性维生素含量

世界卫生组织1974

在欧美等乳品发达国家，一个小规模的干酪生产厂，一天就要生产30余吨的硬质干酪，每天将排出2棗3百吨的乳清溶液，这样大量的富有营养价值的乳清的处理就成了干酪生产中综合考虑的问题。近二、三十年，超滤和反渗透等新技术的应用，使乳清的综合利用和开发取得了很大的进步。但这些方法主要用于分离和开发提取乳清中的乳清蛋白、乳糖等营养成分，作为特殊的用途。而大规模的乳清处理，仍然采用浓缩和喷雾干燥的工艺制成甜性乳清粉，广泛地用作食品工业的原料。近几年来，我国也大量进口甜性乳清粉制品，主要应用于乳品、焙、烤、糖果及其他食品中，作为经济的乳固形物的来源以及强化色泽形成的添加物，我们也曾以进口甜性乳清粉作为营养保健奶的乳固形物添加剂，收到了良好的营养和经济效果.

所谓甜性乳清粉的指经巴氏杀菌，未添加任何防腐剂的新鲜乳清（主要是硬质干酪生产中得到的乳清），干燥所得到的产品，它含有新鲜乳清除水分以外的所有成分，并且其比例不变。甜性乳清粉的生产工艺流程为：乳清预处理--> 巴氏杀菌--> 真空浓缩-->乳糖的预结晶--> 喷雾干燥--> 包装。在国内，甜性乳粉的工业化生产尚少，本文就乳糖结晶的应用简述如下。

二乳糖结晶的基本原理

如前所述。干酪乳清总干物质的70%是乳糖，在乳清溶液中，乳糖以α、β两种形式存在，其相应的比例大约为40%和60%。温度在15℃，α-乳糖和β-乳糖的相对不溶度分别为7G/100ML和50G/100ML。当乳清溶液被浓缩至呈乳糖的过饱和溶液时，α-乳糖即被结晶析出。然而，在溶液中，乳糖的两种形式必须达到一定的平衡。当一定量的α--乳糖被结晶下来时，一定量的β-乳糖即被转化成α-乳糖的形式，以使两种形式在溶液中保持一定的比例关系。这种β-乳糖转化为α-乳糖的特性称之为乳糖的旋光变异性（mutarotation）。旋光率是随溶液的温度而变化的，变化的最佳温度大约是30℃，在低温时（0-5℃），这一过程将进行得很慢。

旋光变异的结果，α-乳糖在溶液中再次变成过饱和而结晶析出，这样，结晶的过程一直延续到溶液中乳糖的量减少到不再过饱和为止。然而，如果溶液被冷却，由于乳糖的溶解度随溶液温度的降低而减少，致使溶液再次过饱和而旋光变异继续进行。当然，如果溶液温度大大低于旋光变异最佳温度，由于缺少β-乳糖向α-乳糖转化的机会，则结晶速率几乎接近于零。因此促进这两种形式既能转换速度快而又有大量的结晶析出的条件也是矛盾的相对统一，它需要一定的实践经验去选择正确合适的条件，才能获得最多的结晶水，即为α-乳糖一水化合物。当乳清粉中的乳糖都以α-乳糖一水化合物形式存在时，就可获得非湿性（non-hygvoccopic）不易结团的乳清粉，而固体的β-乳糖是不含结晶水的，也称为无定型晶体（amoiphous）。如乳清粉中的无定型乳糖的增加，将使它具有很强的吸湿性，从而限制了乳清粉在喷雾干燥前使浓缩液中乳糖预先结晶的主要原因。

1. 新鲜乳清的预处理和巴氏杀菌

   从干酪槽排除之新鲜乳清（30棗32℃）首先经过各种网筛过滤器以除去悬浮在清中的酪蛋白细粒，然后经过能自动排渣的离心分离机分离除去乳清中的脂肪和排除混杂于乳清中的残渣。这不公可降低干酪生产的成本和提高牛乳中脂肪的利用率，同时也可避免乳清粉在一定温度条件下产生褐变现象。经过分离后乳清在浓缩前储存时，必须迅速冷却至10℃以下，以抑制乳清中微生物的生长，使乳清的酸度保持在最低水平，因为乳清中乳酸含量的升高，将使后道浓缩液过程中容易变稠而达不到产生乳糖结晶所需之浓度，同时也将给喷雾干燥带来一定困难。

   乳清在进行浓缩前，必须首先经过巴氏杀菌处理，以最大限度杀灭乳清中残留的微生物，以免乳酸含量的升高，在连续生产过程中，原料乳清先经串联在多效蒸发器内的预热段被预热至68℃左右，然后被泵送入巴氏杀菌器进行巴氏杀菌，巴氏杀菌的控制条件一般为75℃，15秒的温度和时间组合。

2. 浓缩

   巴氏杀菌后的乳清进入多效蒸发器进行真空浓缩，为了达到最多的乳糖结晶，必须将乳清浓缩至乳糖含量呈过饱和状态。因此乳清浓缩料的干物质浓度应高于乳粉喷雾干燥中浓缩乳的干物质浓度，一般控制在60%左右，最高也不超过65%。浓度越高，对形成乳糖结晶越有利。但相应粘稠度增加，导致浓缩过程中因浓缩料粘壁甚至乳糖结晶析出而影响蒸发效率，同时也给后道喷雾干燥带来一不定期的困难。乳清的浓缩一般都在真空条件下的多效降模式蒸发器（浓缩锅）内进行。在国外，以四效、六效为众，其高效、节能等为处理大量乳清创造了有利条件。在乳清粉生产厂，一般都有两套以上的浓缩设备，。如仅有一套浓缩设备，很难将新鲜乳（5棗6%干物质）直接浓缩至乳糖结晶析出之浓度（60%左右）。几年前，笔者曾去过荷兰一个小型乳清粉生产厂，作过短期的实习。在那家工厂就有四效和六效两套浓缩设备，其中四效仅将新鲜乳清浓缩至30%左右的干物质浓度，其处理能力为每小时15吨乳清，水分蒸发量为每小时12。5吨，然后，将四效排出的浓缩液再与新鲜乳清混合成大约为10棗15%浓度的中间乳清，再于另一套六效蒸发器浓缩至最终所需之浓度（58棗60%），其处理能力大约为每小时28吨，水分蒸发量为每小时22吨，这两组（套）浓缩设备与一每小时能喷2吨乳清粉的喷雾塔相匹配，年产量可达9000吨以上，这样的组合，即扩大了乳清的处理能力，又可达到能产生乳糖结晶的浓度要求。有些荷兰干酪生产厂将排出之新鲜乳清，利用反渗透（R。O）等浓缩设备浓缩至30%左右的浓缩料（Concentrade）后，再转售给乳清粉生产厂，作原料，这样可使整个干酪和乳清粉生产更为经济和协调。

   乳清浓缩至60%左右后，通过冷却便可使乳糖结晶析出。为了获得最多最细的乳糖结晶，分两个阶段冷却最关键的。第一阶段是将从蒸发器排出的温度约40℃ 左右的浓乳清迅速冷却至28棗30℃，因为当溶液还是高浓度的过饱和溶液时，将有利于快速的乳糖的旋光变异进行，快速的冷却也导致形成许多细小的晶粒，这种晶粒的大小一般都在50μm（微米）以下，最有效的快速的冷却方法是将浓缩液泵入一个真空罐使这闪蒸冷却（frash cooling），些时物料因突然膨胀而冷却，在闪蒸冷却器（frash cooling）中可以形成晶种，而且保证能均匀分散在物料中。第二阶段冷却将此浓缩料再经一组片式冷却器，与泵入之冷水进行热量交换而使浓缩料冷却至16棗20℃。泵入结晶缸进行乳糖的预结晶。

3. 乳糖的预结晶

   浓缩乳清的乳糖预糖结晶是在结晶缸中进行的，结晶缸应具有良好的保温性能，确保浓缩乳清在干燥之前，在结晶温度下（20℃左右）保温3-4小时，以达到乳糖充分结晶的目的。结晶缸的搅拌系统是获得最佳结晶效果的决定性条件。搅拌器必须能使浓缩物分散并起到充分均匀的作用。，搅拌速度一般控制在每分钟10转左右。对乳糖的结晶程度必须检测，当乳糖的结晶程度为85%时，浓缩物才能进行干燥。因为此时，该结晶不易在喷雾干燥中被破坏。

4. 喷雾干燥

乳清粉的喷雾干燥工艺基本与乳粉相同，但是，采用浓缩乳清中乳糖预结晶的工艺后，其喷粉塔的雾化器就要求选用离心盘雾化器。因为如果采用压力喷雾的话，乳糖晶粒可能很快使喷嘴磨损或堵塞，造成雾化困难，在荷兰，一般都选用丹麦尼罗（Nelo）公司制造的离心盘雾化器。

在乳清粉喷雾干燥期间，控制乳清粉的热塑性（粘性）温度（Sticking Temperatura）至关重要。所谓热塑性，是指在干燥期间。一定条件下，半干物质由于受热而变得粘稠的性质，以至使粉粒相互块而粘壁，此时的温度即为热塑性温度。

有资料表明，热塑性温度领带于乳清干物质的组成，同时也是无定形乳糖的形成，乳酸含量和粉粒水分含量的综合效果，个体情况参见图1。2所示。如图1所示，在其它条件不变的情况下，热塑温度随乳糖果的增加而增加，当乳糖结晶程度从45%提高到80%时，乳清粉的热塑性温度将从60℃提高到78℃；同时，热塑温度又随乳酸含量的增加而降低。如图2所示，当乳清粉中乳酸含量增加至16%时，热塑性温度则从98℃呈线性下降至57℃；同样在其它条件不变的情况下，其热塑性温度又随含水量的增加而按比例下降。与图2的情况相类似，乳清粉水分含量从2。5%升至4。5%时，热塑性温度从92℃线性下降至70℃。

为了不增加喷雾干燥的难度，乳清粉的温度应低于热塑性温度，一般来说，乳清粉的酸度可以通过对新鲜乳清的预处理和巴氏杀菌得以控制，使之保持在最低程度，与此同时，应该提高乳清的浓度和乳糖的结晶程度。但是控制乳清粉的含水量就很难获得较好的喷粉条件，因此控制乳清的浓度和乳糖的结晶程度是主要的，而乳清粉中无定型乳糖结晶量的增加和乳酸含量的增加相应提高了喷雾干燥的难度，这是应予避免的。

四、小结

综上所述，在甜性乳清粉生产过程中，利用和控制各种工艺条件，获得甜性乳清粉中最大的乳糖结晶程度的工艺，对解决乳清粉易吸潮结块的产生褐变，对及乳粉生产中，特别是乳糖含量较高时，提高其溶解度和易溶化程度也有一定的参考价值。