乳饼是云南三大民族特色乳制品（乳饼、乳扇、酥油）之一，被人们形象地称为“中国式奶酪”，深受消费者欢迎，其原料可以是羊奶或牛乳，5公斤羊奶可制1公斤乳饼[1]。据不完全统计，云南乳饼的年生产量大约在1 400万吨，大部分乳清水被当做废水排放，少部分被用来饲养畜牧。乳清水中含有大量的乳清蛋白，乳清蛋白生物价为88，属于全价蛋白，含有组成蛋白质的20种氨基酸，其必需氨基酸含量高于普通的食用蛋白质[2]。主要以乳球蛋白、乳白蛋白、免疫球蛋白和乳铁蛋白等蛋白为主，在人体内能被充分吸收利用[3]。乳清蛋白具有很多功能特性，曾经被当作一种常规化合物用来治疗烧伤、各种疾病和激发活力，还能提高谷胱甘肽浓度从而起到抗癌作用[4]。此外，还具有免疫系统调节功能[5]、抗菌抗病毒功能、预防骨质疏松的功能[6]。在牛奶中乳清蛋白的含量仅为0.7%，因其易消化吸收、氨基酸组成非常合理被称为蛋白之王。乳清蛋白在酸奶生产中提供非脂乳固体，能为酸奶提供独特的功能特性[7]。此外，乳清蛋白还能够促进有益菌生长，对于益生菌产品和保健乳制品的生产尤为重要[8]。因此，在酸奶中添加乳清蛋白可以改善产品的风味、质构，增加产品自身的价值。
在美国，约65%的乳清水经喷雾干燥技术制成乳清蛋白粉或经超滤膜技术浓缩成乳清蛋白液，再处理加工成其它类型的乳清产品。在利用鲜牛乳生产干酪或乳饼的过程中会产生大量乳清水，将其作为废水排放至环境中会引起水体富营养化、过量氧消耗等环境危害，不仅浪费了资源，还会造成严重的环境污染。除此之外，废弃液中生物需氧量 （biological oxygen demand，BOD）和化学需氧量 （chemical oxygen demand，COD）含量较高，直接排放后污染严重，不符合节能减排的要求[9]。目前，我国对乳饼生产过程中所排放的乳清水的开发利用尚少，本试验以乳饼加工副产物——乳清水为原料，通过超滤技术（ultrafiltration technology，UT）截留、浓缩乳清水主要固形物成分，采用响应面法（response surface method，RSM）优化乳清蛋白粉的喷雾干燥工艺，并将该工艺条件下获得的乳清蛋白粉应用于酸奶加工，为云南乳饼加工副产物乳清水的综合利用提供重要参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
乳清水：市售；聚醚砜超滤膜：上海摩速有限公司；氢氧化钠、盐酸、海砂、十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS）、酚酞、95%乙醇、乙醚、三氯甲烷、氮气（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
UFSC40001型搅拌式超滤装置：上海摩速有限公司；雷磁PHSJ-4A型实验室pH计：上海精密科学仪器有限公司；XHF-D型高速分散器：宁波新芝生物科技股份有限公司；SP-1500型实验性喷雾干燥机：上海顺仪实验设备有限公司；TGL20M型高速冷冻离心机：湖南湘立科学仪器有限公司；A360型紫外可见分光光度计：上海翱艺仪器有限公司；SVJ-358型智能商用型酸奶机：北京世纪阳光科技发展有限公司；GMSX-280型压力蒸汽灭菌器：北京市永光明医疗仪器有限公司。
1.3 试验方法
1.3.1 乳清水超滤浓缩的单因素试验
将乳饼加工副产物——乳清水原料在85℃条件下杀菌15 min，于25℃温度下进行离心（4 000 r/min、30 min）去除酪蛋白和乳脂，分离上清液，再用30 kDa分子量的超滤膜进行超滤，得到的滤液浓缩后置于4℃冷藏备用。将离心后的上清液进行超滤，以超滤膜通量（mL/h）为指标，考察超滤温度（35、45、55 ℃）、超滤压力（0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 MPa）2个参数对膜通量的影响，确定最佳超滤条件。
1.3.2 响应面试验优化乳清蛋白粉的喷雾干燥工艺
喷雾干燥成本低、干燥时间短、水分去除率高，是乳制品行业最常见的干燥加工技术。乳清蛋白粉干燥过程受进出口温度、雾化类型、气流方向和进料速度等的影响[10]。将1.3.1超滤浓缩液用喷雾干燥机制备出乳清蛋白粉。基于前期试验结果，设置喷雾干燥的物料温度（10℃～30℃）、泵速（20%～40%、400 mL/h～700 mL/h）、进风温度（120℃～180℃），用响应面法优化乳清蛋白粉喷雾干燥工艺。中心复合试验（central composite design，CCD）设计如表 1。
表1 中心复合试验设计
Table 1 Central composite design
序号 X1物料温度/℃ X2进风温度/℃ X3泵速/%1 30（1） 180（1） 40（1）2 30（1） 120（-1） 20（-1）3 20（0） 150（0） 30（0）4 30（1） 180（1） 20（-1）5 10（-1） 120（-1） 40（1）6 10（-1） 120（-1） 20（-1）7 10（-1） 180（1） 40（1）8 3（-1.682） 150（0） 30（0）9 10（-1） 180（1） 20（-1）10 20（0） 100（-1.682） 30（0）11 30（1） 120（-1） 40（1）
续表1 中心复合试验设计
Continue table 1 Central composite design
序号 X1物料温度/℃ X2进风温度/℃ X3泵速/%12 20（0） 150（0） 13（-1.682）13 20（0） 150（0） 30（0）14 37（+1.682） 150（0） 30（0）15 20（0） 150（0） 30（0）16 20（0） 150（0） 30（0）17 20（0） 200（+1.682） 30（0）18 20（0） 150（0） 47（+1.682）19 20（0） 180（1） 30（0）
1.3.3 酸奶加工工艺流程
原料乳的预处理→配料（加入适量的乳清蛋白粉）→均质（60℃，8 MPa～10 MPa）→杀菌（90℃～95℃下保持5 min）→发酵（40℃～42℃下静置4 h～5 h）→冷却（10℃冷风冷却）→冷藏→后熟→产品。
1.3.4 指标测定
1.3.4.1 膜通量的测定
参照王平等[11]的测定方法，膜通量为单位时间单位有效膜面积产生的冷凝液的体积。
1.3.4.2 干物质含量测定
参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》方法测定干物质含量。
1.3.4.3 溶解度的测定
参照GB 5413.29—2010《食品安全国家标准婴幼儿食品和乳品中溶解性的测定》方法测定溶解度。
1.3.4.4 乳化性测定
参照刁静静等[12]的方法，测定乳清蛋白乳化性。
1.3.4.5 热稳定性测定
参照王飞等[13]的方法，测定热稳定性。
1.3.5 乳清蛋白粉对酸奶品质的影响
将试验1.3.2中得到的乳清蛋白粉，利用酸奶生产工艺制作酸奶，并进行理化指标分析。
1.3.5.1 持水率测定
参考姚旻晶等[14]的测定持水率方法；黏度采用黏度仪直接测定。
1.3.5.2 酸度测定
酸度参照GB 5009.239—2016《食品安全国家标准食品酸度的测定》中的方法进行测定。
1.4 数据处理
利用Design-Expert 8.0.6软件对数据进行处理，按照软件设计结果进行试验，每组试验重复3次，采用origin9.0进行作图。
2 结果与分析
2.1 超滤浓缩乳清水的单因素试验结果
2.1.1 超滤温度的确定
将离心后的上清液进行超滤，以超滤膜通量为指标，在超滤压力为0.3MPa时，随着时间变化考察超滤温度（35、45、55℃）对膜通量的影响，结果见图 1。
图1 超滤温度对膜通量的影响
Fig.1 Effect of ultrafiltration temperature on membrane flux
由图1可知，不同温度下乳清蛋白溶液膜通量不同，温度越高，通量越大；40 min后，35、45℃膜通量差距不大。过高的超滤温度会破坏超滤膜，导致蛋白质等热敏性物质受到损伤，过低温度又会使料液黏度增加不利于超滤和设备清洗[15]，因此，本试验选取超滤温度为55℃时开始超滤，此时膜通量最大。随着时间的延长，由于料液黏稠度增加和膜的压实作用或膜被污染、膜孔被堵塞，造成膜通量减小[16]，所以在超滤过程中应该控制超滤时间。
2.1.2 超滤压力的确定
将离心后的上清液进行超滤，以超滤膜通量为指标，超滤温度为55℃，超滤时间30 min，考察超滤压力（0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 MPa）对膜通量的影响，结果见图2。
图2 超滤压力对膜通量的影响
Fig.2 Effect of ultrafiltration pressure on membrane flux
由图2可知，随着超滤压力的增加，膜通量随之增加，当压力达到0.5 MPa后，膜通量逐渐减小。这是由于超滤压力增大到一定程度时，增加了超滤膜和物料之间的浓度差，使膜面上凝胶层形成较快，增大了物料通透阻力，使膜通量减小[17]，当压力达到0.5 MPa时，超滤通量达到最大，当膜的表面上形成凝胶层后，若再增加超滤的压力差，则凝胶层的厚度会增加，而溶剂的通量不增加。这是因为增加的压力差被增厚的凝胶层阻力所抵消，此时溶剂的渗透通量为极限通量[18]。为了克服透过膜的阻力和膜表面的流体压力损失，超滤过程往往在极限通量附近进行，因此本试验选取超滤压力为0.5 MPa。
2.2 乳清蛋白粉喷雾干燥工艺的响应面试验结果分析
2.2.1 中心复合试验结果与分析
建立CCD中心复合试验模型，选择物料温度（X1）、进风温度（X2）、泵速（X3）进行三因素三水平响应面试验，试验结果如表2所示。
表2 中心复合试验结果
Table 2 Experimental results of central composite
序号干物质含量/%溶解度/（g/100 g）热稳定性/g乳化性/%1 96.64±0.02 93.80±0.08 1.91±0.05 68.06±0.03 2 96.00±0.17 93.18±0.01 1.89±0.11 67.61±0.02 3 96.30±0.05 93.46±0.03 1.90±0.06 67.81±0.07 4 96.44±0.08 93.61±0.17 1.92±0.03 67.92±0.17 5 95.16±0.01 92.37±0.01 1.88±0.09 67.02±0.09 6 95.34±0.03 92.54±0.15 1.88±0.05 67.14±0.06 7 96.74±0.11 93.89±0.09 1.91±0.01 68.13±0.03 8 96.30±0.09 93.46±0.03 1.90±0.07 67.81±0.14 9 96.59±0.01 93.75±0.02 1.91±0.01 68.02±0.06 10 94.62±0.01 89.84±0.11 1.87±0.18 66.64±0.03 11 94.72±0.04 91.94±0.03 1.87±0.09 66.71±0.08 12 96.40±0.06 93.56±0.08 1.90±0.05 67.88±0.19 13 96.03±0.05 93.21±0.15 1.89±0.13 67.63±0.04 14 96.67±0.07 93.83±0.06 1.92±0.04 68.08±0.01 15 96.10±0.15 94.27±0.04 1.87±0.09 67.68±0.03 16 96.40±0.03 93.56±0.01 1.90±0.01 67.88±0.11 17 96.67±0.08 93.83±0.09 1.91±0.18 68.08±0.05 18 95.41±0.12 92.60±0.16 1.88±0.02 67.19±0.02 19 96.30±0.06 93.46±0.08 1.89±0.12 67.81±0.07
方差分析结果见表3。
表3 方差分析结果
Table 3 Results of variance analysis
注：P＜0.05差异显著；P＜0.01差异极显著。
方差来源 自由度 干物质含量 溶解度 热稳定性 乳化性平方和 P值 平方和 P值 平方和 P值 平方和 P值模型 9 7.600 ＜0.000 1 15.760 0.004 2 4.110 0.010 0 3.740 ＜0.000 1 X1物料温度 1 0.026 0.464 1 0.027 0.754 0 1.390 0.232 8 0.014 0.430 9 X2进风温度 1 5.460 ＜0.000 1 10.080 0.000 1 2.850 0.000 3 2.700 ＜0.000 1 X3泵速 1 0.560 0.005 9 0.530 0.182 2 2.970 0.094 9 0.270 0.005 9 X1X2 1 0.028 0.448 3 0.024 0.764 8 1.250 0.710 6 0.014 0.444 0 X1X3 1 0.140 0.110 3 0.130 0.492 8 1.130 0.280 1 0.070 0.102 2 X2X3 1 0.410 0.013 7 0.380 0.253 6 1.250 0.710 6 0.200 0.013 1 X12 1 0.092 0.182 3 0.110 0.533 7 6.490 0.022 1 0.047 0.170 8 X22 1 0.630 0.004 3 4.150 0.002 9 4.180 0.945 7 0.300 0.004 5 X32 1 0.210 0.058 2 0.170 0.435 6 4.180 0.945 7 0.100 0.056 6残差 9 0.400 2.290 7.670 0.190失拟项 5 0.300 0.196 5 1.650 0.252 4 1.670 0.934 9 0.150 0.171 5纯误差 4 0.096 0.640 0.004 2 6.000 0.010 0 0.043 R2 0.954 5 R2adj 0.901 1images/BZ_104_1044_2244_1064_2273.pngimages/BZ_104_1517_2246_1538_2275.pngimages/BZ_104_1865_2244_1885_2273.png0.873 1 0.764 2 0.842 7 0.685 4 0.951 4 0.902 8
由表3可知，响应面试验设计中回归模型显著性检验P＜0.01，说明二次多元回归模型极显著，回归模型失拟项检验P＞0.05，模型失拟项不显著，表明此模型可用于试验拟合[19]。回归诊断表明，当决定系数R2趋近于1，表明模型的拟合度和可信度均很高[20]，试验中的各个因素的决定系数R2均趋近于1。CV定义为标准差与均值的比值。CV值越低，说明偏离均值越低，可信度与精密度越高，试验的可靠性越高[21]，本回归模型的CV值为干物质含量22%、溶解度54%、热稳定性49%、乳化性22%。预测的误差平方和越低说明模型与理想值一致[22]。综上所述，回归模型拟合程度良好，试验误差小，能够准确的分析干物质含量、溶解度、热稳定性、乳化性。
2.2.2 响应面分析
响应面的变化情况和等高线的稀疏程度可直观地反映喷雾干燥过程中物料温度、进风温度、泵速之间交互作用对乳清蛋白粉干物质含量、溶解度、热稳定性、乳化性的影响[23]，结果见图3～图6。
图3 泵速与物料温度交互作用对干物质含量的影响
Fig.3 Effects of interaction between pump speed and material temperature on dry matter content
图4 泵速与物料温度交互作用对溶解度的影响
Fig.4 Effects of pump speed and material temperature on solubility
图5 泵速与进风温度交互作用对热稳定性的影响
Fig.5 Effects of pump speed and inlet air temperature on thermal stability
图6 泵速与物料温度交互作用对乳化性的影响
Fig.6 Effect of pump speed and material temperature on emulsification
如图3所示，在响应面法优化乳清蛋白粉喷雾干燥过程中，物料温度及泵速的交互作用对乳清蛋白粉干物质含量有影响，响应曲面闭合程度不明显，可能与试验过程中的系统误差有关系。如图4所示，喷雾干燥过程中，泵速与物料温度的交互作用对溶解度的影响有差异。如图5所示，泵速与进风温度的交互作用对热稳定性有影响。如图6所示，泵速与物料温度的交互作用对喷雾干燥产物的乳化性有影响，响应曲面有闭合的趋势。
2.2.3 验证试验
回归模型通过响应面法优化乳清蛋白粉最佳喷雾干燥工艺参数，并根据设备情况对相关参数进行调整，对乳清蛋白粉最佳工艺参数进行验证，结果如表4所示。
表4 乳清蛋白粉最佳工艺参数验证
Table 4 Verification of optimum process parameters of whey protein powder
项目 物料温度/℃ 进风温度/℃ 泵速/% 干物质含量/%范围 10.00～30.00 120.00～180.00 20.00～40.00 94.62～96.74低水平 10.00 120.00 20.00 94.62高水平 30.00 180.00 40.00 96.74最优选择 15.96 165.84 32.24 96.50验证 16.00 166.00 32.00 95.83±1.47溶解度/（g/100 g）89.84～94.27 89.84 94.27 93.90 94.61±2.03热稳定性/g 乳化性/%1.87～1.92 66.64～68.13 1.87 66.64 1.92 68.13 1.90 68.00 1.62±0.38 69.46±1.25
由表4可知，回归模型通过响应面法优化乳清蛋白粉最佳喷雾干燥工艺参数为物料温度15.96℃、进风温度165.84℃、泵速32.24%；考虑实际操作情况与设备参数状况，确定乳清蛋白粉最优喷雾干燥工艺参数为物料温度16℃、进风温度166℃、泵速32%。在上述最佳条件下进行验证试验，得到乳清蛋白粉干物质含量95.83%、溶解度94.61 g/100 g、热稳定性1.62 g、乳化性69.46%与理论值接近。
2.3 添加乳清蛋白粉对酸奶品质的影响
酸奶风味是由发酵过程中的产物以及所加入辅料的风味共同决定[24]。在酸奶生产中，由于乳清蛋白味道柔和，利用乳清蛋白粉代替一部分脱脂乳粉，可突出风味发酵乳的特殊风味。当利用乳清蛋白代替淀粉或其它增稠剂使用时，酸奶风味可得到较大改善。
2.3.1 酸奶发酵性能
添加自制乳清蛋白粉与对照组酸奶发酵性能结果见表5。
表5 添加乳清蛋白粉与对照组试验
Table 5 Test of add protein powder and control group
组别pH值酸度/°T黏度/（mPa·s）持水率/%试验组 4.28 103.1 7800 77.9对照组 3.87 98.7 7200 63.4
由表5可知，添加乳清蛋白粉酸奶的pH值比未添加乳清蛋白粉的高；酸度的变化也很明显，加入乳清蛋白粉酸奶酸度在103.1°T，而对照组为98.7°T；酸奶等食品在一定浓度内呈现非牛顿流体流变特性，因此测定其黏度时可以使用黏度计，发酵乳的黏度与乳清蛋白粉有关，在酸奶中加入乳清蛋白粉，黏度也会随着上升；添加乳清蛋白粉与不添加的对照组发酵乳所测得的持水性是不同的，试验组持水率在77.9%，对照组只有63.4%。
2.3.2 酸奶感官评分
添加自制乳清蛋白粉及不添加的对照组感官评分结果见图7。
图7 添加自制乳清蛋白粉及不添加的对照组感官评分结果
Fig.7 Sensory score results of the control group with and without self-made whey protein powder
由图7可知，添加自制乳清蛋白粉及不添加的对照组感官评价存在着一定的差异，添加自制乳清蛋白粉对酸奶综合评价分数都高，而酸甜比、色泽两个指标感官评价无明显差别。因此，适量添加乳清蛋白可以改善酸奶的感官特性。
3 结论
本试验采用30 kDa的超滤膜进行超滤，在进口压力0.5 MPa、温度55℃条件下，膜通量最大，且超滤运行稳定。利用喷雾干燥制备乳清蛋白粉，在前期试验基础上采用中心复合设计试验对整个工艺进行优化，得到最佳喷雾干燥工艺参数为物料温度16℃、进风温度166℃、泵速32%，各项指标测定为干物质含量95.83%、溶解度94.61 g/100 g、热稳定性1.62 g、乳化性69.46%。在该条件下获得的乳清蛋白粉应用于酸奶制作，得到的酸奶产品风味、组织状态良好，其pH值、酸度、黏度、持水率分别为 4.28、103.1 °T、7 800 mPa·s、77.9%。研究可为乳饼加工副产物——乳清水的综合利用提供参考。
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