低乳糖和无乳糖的乳制品及其制造方法.docx

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专利名称:低乳糖和无乳糖的乳制品及其制造方法
技术领域:
本发明涉及将乳成分分离成各成分的方法,以及由这些成分组成的低乳糖或无乳糖乳。本发明特别涉及在乳成分的分离中使用纳滤技术。
背景技术:
已知使用膜技术生产低乳糖和无乳糖乳的几种方法。常规的裂解乳糖的酶促法也是本领域中公知的,该方法包括这样的步骤向乳中添加来自真菌和酵母菌的乳糖酶以使得超过80%的乳糖裂解成单糖(即,葡萄糖和半乳糖)。已提出了几种膜过滤法解决方案来从乳原料中除去乳糖。通常使用四种基本的膜过滤法反渗透(RO)、纳滤(NF)、超滤(UF)和微滤(MF)。其中,UF主要适合用于从乳中分离乳糖。反渗透通常用于浓缩,超滤和微滤通常用于分级,纳滤可用于浓缩和分级。例如在WO公报00/45643中描述了基于膜技术的乳糖去除法,其中通过超滤和渗滤除去乳糖。本领域已知的是,与膜技术相关的问题通常在于在超滤过程中,不仅将乳糖从乳中去除,还去除了一些对乳和由其制备的乳制品的味道至关重要的矿物质。控制矿物质含量,特别是如钙和镁等二价矿物质,在本领域中特别存在问题,已知方法导致了大量的矿物质损失,这就是经常必须返还或另外添加这些二价矿物质的原因。例如,膜法通常还产生含矿物质的次生流,该次生流不能被有效利用,还增加了废
水负荷,需要进一步的处理并增加了成本。因此需要提供这样的方法通过该方法,特别是二价矿物质可以在过程中得到控制并能更有效的回收,从而使得工艺用水循环而不产生次生流。WO公报03/094623A1公开了下述方法其中,对乳制品进行超滤、纳滤和反渗透浓缩,然后将超滤过程中除去的矿物质返还至UF渗余物。由此获得的低乳糖乳制品中的残余乳糖由乳糖酶水解为单糖,从而获得几乎不含乳糖的乳制品。通过该方法,去除了乳中的乳糖而不影响所制备的乳制品的感官特性。在该方法中,如钙和镁等二价矿物质的损失可能比较显著。并且,该方法产生含矿物质的次生流,其不能在此方法中得到利用,需要进行后处理。为解决这些问题,需要更简单、更有效的可供选择的方法。具体而言,还可通过色谱从乳中分离乳糖。然而,乳加工具有与乳清加工不同的许多问题,例如,酪蛋白的易于析出,维持酪蛋白的胶束结构,脂肪的行为以及极为严格的卫生要求。例如EP公报226035B1描述了下述乳糖分离法其中将乳分级,以分离乳糖部分,并且矿物质在蛋白质部分或蛋白质-脂肪部分中。该方法的特征在于通过使阳离子交换树脂的阳离子组成对应于乳的阳离子组成而平衡阳离子交换树脂,并通过在洗脱中使用水而于约50°C80°C的温度在具有经平衡的阳离子交换树脂的柱子中对乳进行色谱分离。该
方法的优点在于所有对于味道重要的化合物都保留在乳中。然而,色谱法乳糖分离是缓慢且复杂的方法,不能直接应用于没有高额的设备投入的常规乳场中。另一个问题是高耗水量和大量的化学品。专利公报KR20040103818描述了生产低乳糖乳的方法,所述方法包括将经乳糖酶水解的乳纳滤以部分除去半乳糖和葡萄糖,并向纳滤渗余物中添加水以获得合适的甜度。Choi等(Asian-(6)(2007)989-993)描述了生产乳糖水解乳的方法,其中以β-半乳糖酶(5000乳糖酶活性单位/g,Validase,ValleyResearch)部分(%;4°C,24小时)或“完全”(%,40小时)水解原乳,热处理以使酶失活(72°C,5分钟),冷却至45°C50°C,在约9巴10巴(130psi140psi;)的压力纳滤。将水添加至NF渗余物中并在65°C进行30分钟热处理。乳糖水解乳由蛋白质(3.)、脂肪(%)、乳糖(%)、葡萄糖(%)和半乳糖(%)组成。在所述专利公报描述的包含单阶段纳滤的方法中,未能将所有的一价矿物质足够有效地返还至乳中。WO公报2007/076873描述了包含原乳中几乎所有的钙和蛋白质的低碳水化合物乳,以及生产其的方法。在该方法中,,将乳超滤,优选在约10°C的温度对UF渗透物进行纳滤以将微生物风险减至最小,合并NF渗透物、UF渗余物和水,通过添加酸
(优选柠檬酸或磷酸)将PH调节至原乳的pH值()。制品的能量含量为90kJ/100g250kJ/100g。该方法包括多个步骤,需要强化学品来调节pH和将钙和蛋白质损失降至最低。WO公报2004/019693描述了使用膜技术(超滤、纳滤和反渗透)分离不同成分并将这些成分合并到如冰淇淋、酸奶和乳饮料等乳制品中的方法。还已知使用去除乳糖后的乳作为生产低碳水化合物乳制品的原料。例如,WO公报2006/087409A1描述了富含附加钙、含低能量乳基质的低能量脱脂乳饮料,该饮料由脱脂乳或乳清蛋白质溶液或其混合物组成,其中的碳水化合物已根据先前已知的方法通过超滤或色谱完全或部分去除。该产品的能量含量至多为20千卡/100g。近来的研究集中于乳的膜过滤和经如此过滤的低碳水化合物乳在生产乳产品(如奶酪、冰淇淋和酸奶)中的应用。与已知的包含几个不同工序且其中一个子阶段是纳滤的用于制备低碳水化合物乳制品的多步膜过滤法相同,在进行膜过滤之前不能去除乳原料中的残余乳糖。获得在味道和结构上完全无瑕疵、满足消费者对符合感官要求的乳制品的期望、能经济简便地生产而不损失多价矿物质的产品是极具挑战性的。现在,出人意料地发明了一种无需任何额外成本生产在其感官特性方面完全无瑕疵的低乳糖和无乳糖乳制品的方法。本发明的方法使得可以更有效地控制二价矿物质并且比常规的方法更简单,无需任何额外成本,并能将损失降至最低。此外,本发明的方法不产
生需要后处理的次生流,这使得本方法更加高效。
发明内容
本发明提供了用于避免钙和蛋白质损失的新解决方案,钙和蛋白质损失已被证实是生产低乳糖和无乳糖以及低碳水化合物乳制品生产中的问题所在,并且是与所述乳制品的感官特性(特别是味道)相关的问题,该解决方案通过提供下述方法而实现,所述方法包括水解乳原料中的乳糖,通过取决于膜类型、温度、压力和/或渗滤的分阶段纳滤条件从获得的经水解的乳原料中将蛋白质、糖和矿物质分离到不同的部分中,以及在可行的进一步分离中应用膜技术和/或色谱分离法。由分离的各部分可制备所需的乳制品。一方面,本发明提供一种将乳成分分离成各成分的方法,所述方法的特征在于如独立权利要求中所述。本发明还提供由这些成分制成的低乳糖和无乳糖乳制品,以及所述乳制品的制备方法。通过本发明的方法,可以简化并提高低乳糖和无乳糖乳制品的生产,由此尤其是二价矿物质(特别是钙和镁)的损失被降至最低,并且无需另外补充/添加矿物质和/或蛋白质。通过本发明的方法获得的所有副产品都是常用乳产品,并且工艺中产生的次生流可以在本发明的方法中进一步利用。所述方法不产生需要以特殊方式处理或分离的产物或次生流,这意味着废水负荷减至最小。此外,无乳糖和低乳糖乳制品中特别典型的蛋白质和矿物质的损失得以避免,尤
其是二价矿物质的回收变得更加高效。本发明还提供了简便、经济、工业上适于大规模的并且不导致额外成本的方法。出人意料地发现,通过完全或部分水解乳原料中的乳糖,并以至少两个不同的纳滤条件(例如,温度和/或压力,和/或通过渗滤步骤,和/或采用至少两种不同的纳滤膜类型)对经水解的乳原料进行分阶段纳滤,矿物质的损失降至最低,并能有效控制钙和蛋白质之间的比例。本发明因此提供了利用纳滤膜的不同渗透性以及不同的工艺条件来分离经水解的脱脂乳的乳原料成分的方法。条件改变可即刻或平稳地或以一定的速度逐步进行,由此也可以将条件曲线中的所需的变化或阶段变化理解为一个子阶段。通过本发明的方法生产的乳制品具有所需的感官特性,仅含很少的碳水化合物,并且含有与正常乳相当含量的钙。
图Ia显示了在65°C矿物质-糖部分的色谱分离(FinexCS09GC树脂,流速160ml/h,进样量20ml,第二纳滤的NF渗余物,白利糖度16%)。图Ib显示了在10°C矿物质-糖部分的色谱分离(FinexCS09GC树脂,流速160ml/h,进样量20ml,第二纳滤的NF渗余物,白利糖度16%)。
具体实施例方式一方面,本发明涉及分离乳成分的方法,所述方法的特征在于a)水解乳原料中的乳糖,从而获得经水解的乳原料,和b)以至少两个子阶段对所述经水解的乳原料进行分阶段纳滤
(phasednanofiltration),由此使从第一子阶段接收的纳滤渗余物NFRetI和/或纳滤渗透物NFPermI的至少一部分进行第二子阶段,从而获得所述第二子阶段的纳滤渗余物NFRetII和纳滤渗透物NFPermII,并且可选地,对前述子阶段的某些纳滤渗余物和/或渗透物的至少一部分或其组合进行后续的纳滤子阶段,分别获得所述后续子阶段的纳滤渗余物部分NFRetIII等和纳滤渗透物部分NFPermIII等,从而将蛋白质、糖和矿物质分离到这些不同的部分中。在本发明的内容中,乳原料是指原样或浓缩物形式的乳、乳清以及乳和乳清的组合。乳原料可以补充有乳制品制备中常用的组分,例如脂肪部分、蛋白质部分或糖部分等。乳原料因此可以是,例如全脂乳、奶油、低脂乳或脱脂乳、超滤乳、渗滤乳、微滤乳、无乳糖或低乳糖乳、经蛋白酶处理的乳、由奶粉调制的乳、有机乳或这些乳的组合或者这些中任一种的稀释物。优选的是,乳原料是脱脂乳。在本发明的方法的步骤a)中,如本领域所公知,将乳原料中的乳糖水解为单糖。在本发明的方法的一个实施方式中,在分阶段纳滤之前进行完整水解(完全水解)。在本发明的方法的第二实施方式中,在分阶段纳滤之前进行部分水解,经部分水解的乳原料中的乳糖水解继续与所述经部分水解的乳原料的分阶段纳滤同时进行。乳糖水解可继续进行直至乳糖酶失活,例如可通过对由本发明中接收的各部分在后期组成的乳制品进行热处理而
使乳糖酶失活。%。%。在本发明的方法的步骤b)中,对前一步骤a)中获得的经水解的乳原料进行分阶段纳滤以将蛋白质、糖和矿物质分离到不同的部分中。在本发明的内容中,分阶段纳滤是指纳滤包含至少两个子阶段。各子阶段在不同的工艺条件和/或通过使用不同的膜类型而进行。可变的条件可以是例如过滤温度、过滤压力、渗滤和/或过滤的浓缩系数。在各子阶段中,可针对一个或多个变量改变条件。条件改变可以即刻或平稳地或以一定的速度逐步进行,因此条件曲线中所需的变化/阶段变化是指子阶段。在本发明的一个实施方式中,分阶段纳滤包括温度条件和/或膜类型的变化。在本发明的第二实施方式中,纳滤与渗滤(DF)联用,其中在纳滤的至少一个子阶段中将渗滤水(diawater)添加至纳滤渗余物中。本发明的包含至少两个子阶段的分阶段纳滤产生两种以上的纳滤(即,NF)渗余物(依次记作NFRetI、NFRetII、NFRetIII等)和两种以上的纳滤(即,NF)渗透物(依次记作NFPermI,NFPermII、NFPermIII等)。序号表示在所述方法中进行的纳滤子阶段的编号。因此,-NFRetI是指在第一纳滤子阶段中获得的渗余物-NFRetII是指在第二纳滤子阶段中获得的渗余物,-NFRetIII是指在第三纳滤子阶段中获得的渗余物,等等。-NFPermI
是指在第一纳滤子阶段中获得的渗透物,-NFPermII是指在第二纳滤子阶段中获得的渗透物,-NFPermIII是指在第三纳滤子阶段中获得的渗透物,等等。如果需要,可将由分阶段纳滤获得的两种以上渗余物部分和渗透物部分合并用于后续的纳滤子阶段。在本发明的一个实施方式中,由分阶段纳滤获得的NF渗余物和NF渗透物或其组合通过膜技术和/或通过色谱进行进一步处理,从而进一步改善蛋白质、糖和矿物质的分离。进一步处理可涉及由任何纳滤子阶段获得的NF渗余物或NF渗透物中的一种或多种。而且,可将渗余物和渗透物以任何方式合并用于所述后续工序。特别适用于进一步处理的膜技术是反渗透(RO)。在下文中,RORet是指通过反渗透获得的渗余物,ROPerm是指通过反渗透获得的渗透物。在分离工序中获得的各部分也可进行蒸发。如果需要,也可在一个或多个阶段中组合不同的分离工艺。在本发明的一个实施方式中,通过膜技术、通过进行分阶段纳滤来分离经水解的乳原料中的蛋白质、糖和矿物质,所述分阶段纳滤优选的是,第一阶段在其中较低程度的单糖保留在渗余物中的条件下进行,第二阶段在其中较高程度的单糖保留在渗余物中的条件下进行。在本发明的一个具体实施方式
中,分阶段纳滤如此进行第一阶段在约高于25°C50°C、特别是约42°C51°C的暖条件下进行,第二阶段在约
5°C25°C、特别是约10°C18°C的凉条件下进行。根据本发明的第二实施方式,作为选择,纳滤可以首先在凉条件下进行,然后在暖条件下进行。在膜技术中,通常例如10°C的温度已知用作工业工艺温度,从而避免微生物问题。合适的纳滤膜包括,例如Desal5DL(GEOsmonics,USA)、Desal5DK(GEOsmonics,USA)、TFCSR3(Kochmembranesystems,Inc.,USA)、FILMTECNF(Dow,USA)。合适的反渗透膜包括例如,TFCHR(Kochmembranesystems,he.,USA)和FILMTECFT30(Dow,USA)。在本发明的一个实施方式中,对一种或多种NF渗余物进行进一步的色谱分离。在本发明的优选实施方式中,对在第二纳滤子阶段中获得的渗余物进行所述分离。浓缩系数(K)是指所供给到过滤的液体与渗余物之间的重量比,其由下述公式确定K=供给物(kg)/渗余物(kg)在本发明的方法中,在纳滤中使用的优选的浓缩系数K=110,更优选为K=26。如果在本发明的分阶段纳滤中采用渗滤,则浓缩系数可能大很多。本发明的方法可应用于间歇式生产和连续生产。优选的是,本发明的方法以间歇过程进行。在本发明的方法的一个具体实施方式
中,如下进行经乳糖水解的脱脂乳的分阶段纳滤在暖条件下进行第一阶段(K=3),并在第二阶段中于凉条件下对在第一阶段中获得的NF渗透物(NFPermI)进行纳滤(K=6)以回收矿物质,第一纳滤阶段的NF渗余物(NFRetI)含有葡萄糖