Hộp whey protein 80% trên kệ phòng gym, ly sữa chua Hy Lạp đặc sánh, sữa tươi “giàu đạm ít đường”, nước táo trong suốt: những sản phẩm này đều có chung một bước công nghệ, siêu lọc. Đây là kỹ thuật lọc màng được sử dụng nhiều nhất trong ngành sữa và là chìa khóa của ngành công nghiệp nguyên liệu protein.

Siêu lọc là gì?

Siêu lọc (Ultrafiltration – UF) là quá trình lọc màng sử dụng màng có lỗ rất nhỏ, khoảng 0,01–0,1 µm, thường được đặc trưng bằng giới hạn khối lượng phân tử (MWCO) khoảng 1–100 kDa, hoạt động ở áp suất tương đối thấp, khoảng 1–10 bar. Màng siêu lọc:

  • Giữ lại các phân tử lớn: protein (casein, whey protein), chất béo, polysaccharide, vi khuẩn, virus, enzyme.
  • Cho đi qua nước, lactose, đường, khoáng hòa tan, axit hữu cơ, peptide nhỏ, vitamin tan trong nước.

Dòng giữ lại gọi là dịch cô (retentate), giàu protein; dòng đi qua gọi là dịch lọc (permeate), giàu lactose và khoáng.

Nguyên lý vận hành

  • Lọc dòng chéo: dịch chảy song song bề mặt màng với tốc độ cao, hạn chế tích tụ lớp cặn.
  • Động lực: chênh lệch áp suất giữa hai phía màng (áp suất xuyên màng – TMP).
  • Hệ số cô đặc thể tích (VCF): tỷ lệ thể tích dịch ban đầu so với thể tích dịch cô. VCF càng cao, hàm lượng protein trong dịch cô càng cao, nhưng độ nhớt tăng và thông lượng giảm.
  • Diafiltration (lọc rửa): thêm nước vào dịch cô và tiếp tục lọc để rửa trôi thêm lactose, khoáng, làm tăng tỷ lệ protein trên chất khô. Đây là cách để đạt hàm lượng protein cao như WPC 80.

Màng siêu lọc thường làm từ polysulfone, polyethersulfone (PES), PVDF hoặc gốm; cấu hình xoắn ốc phổ biến nhất trong ngành sữa nhờ chi phí thấp, diện tích lớn.

Ứng dụng trong ngành sữa

Whey protein cô đặc (WPC)

Whey, sản phẩm phụ của sản xuất phô mai và casein, từng bị coi là chất thải. Siêu lọc tách protein whey khỏi lactose và khoáng, tạo ra WPC với hàm lượng protein từ khoảng 35% đến 80% trên chất khô, sau đó sấy phun thành bột. Để đạt whey protein phân lập (WPI, trên 90% protein), người ta kết hợp vi lọc hoặc trao đổi ion. Xem thêm protein phân lập.

Protein sữa cô đặc (MPC)

Siêu lọc sữa gầy tạo ra MPC chứa cả casein và whey theo tỷ lệ tự nhiên của sữa, với hàm lượng protein khoảng 40–90%. MPC được dùng trong phô mai chế biến, đồ uống giàu đạm, thực phẩm dinh dưỡng y học, thanh protein.

Phô mai và sữa chua

  • Phô mai UF: cô đặc sữa bằng siêu lọc đến hàm lượng chất khô gần bằng phô mai thành phẩm rồi mới đông tụ; giữ lại whey protein trong phô mai, tăng hiệu suất đáng kể. Phương pháp này phổ biến cho phô mai trắng ngâm muối kiểu feta, phô mai tươi.
  • Sữa chua Hy Lạp, quark: siêu lọc sữa trước hoặc sau lên men thay cho phương pháp lọc túi truyền thống, giảm lượng whey axit thải ra.

Sữa giàu đạm, ít đường

Siêu lọc kết hợp diafiltration và bổ sung lại khoáng giúp tạo sữa có hàm lượng protein cao hơn và lactose thấp hơn sữa thường, phù hợp xu hướng tiêu dùng giảm đường, tăng đạm.

Chuẩn hóa protein

Siêu lọc được dùng để chuẩn hóa hàm lượng protein sữa trước khi làm phô mai, sữa bột, đảm bảo chất lượng đồng đều quanh năm.

Ứng dụng ngoài ngành sữa

  • Nước quả: làm trong nước táo, nho, dứa, chanh dây; loại bỏ pectin, protein, vi sinh vật, thay thế phương pháp lọc bằng bột trợ lọc, giảm chất thải rắn.
  • Lòng trắng trứng: cô đặc và loại một phần đường, muối trước khi sấy.
  • Protein thực vật: cô đặc protein đậu nành, đậu Hà Lan, protein gạo; loại oligosaccharide gây đầy hơi.
  • Gelatin, collagen, enzyme: cô đặc và tinh chế.
  • Thu hồi protein từ nước thải chế biến thủy sản, tinh bột, chế biến đậu nành; vừa giảm ô nhiễm vừa tạo sản phẩm có giá trị.
  • Xử lý nước: loại vi khuẩn, virus, keo, độ đục.

Tắc màng và vệ sinh

Protein, khoáng canxi phosphat, chất béo bám lên bề mặt và lỗ màng làm thông lượng giảm dần trong ca sản xuất. Giải pháp gồm tiền xử lý (loại chất béo, cặn), tối ưu vận tốc, nhiệt độ (thường khoảng 10–15 °C để hạn chế vi sinh vật hoặc khoảng 50 °C để tăng thông lượng), và chu trình CIP bằng kiềm, axit, enzyme phù hợp với vật liệu màng. Vệ sinh kém dẫn tới màng sinh học trên màng và nhiễm vi sinh vào sản phẩm.

Dịch lọc (permeate): sản phẩm phụ có giá trị

Permeate chứa lactose và khoáng, được cô đặc để sản xuất lactose tinh thể (dùng trong sữa công thức, dược phẩm), bột permeate (thay thế một phần sữa bột, whey bột trong bánh kẹo, thức ăn chăn nuôi), hoặc lên men tạo ethanol, axit lactic.

Thông số vận hành cần kiểm soát

Hiệu quả siêu lọc phụ thuộc vào nhiều thông số: áp suất xuyên màng, vận tốc dòng chảy trên bề mặt màng, nhiệt độ, pH, hàm lượng chất khô và hệ số cô đặc mục tiêu. Tăng áp suất ban đầu làm tăng thông lượng, nhưng đến một ngưỡng nhất định, lớp phân cực nồng độ dày lên khiến thông lượng không tăng thêm mà màng còn bị nén chặt và tắc nhanh hơn. Vì vậy, nhà máy thường vận hành ở vùng áp suất tối ưu, theo dõi thông lượng theo thời gian, kiểm tra độ giữ lại protein bằng phân tích dịch lọc và ghi chép để quyết định thời điểm vệ sinh hoặc thay màng.

Câu hỏi thường gặp

Siêu lọc có thay thế được thanh trùng không? Không. Siêu lọc giữ lại vi khuẩn trong dịch cô chứ không tiêu diệt chúng, nên dịch cô vẫn cần được thanh trùng.

Sữa siêu lọc có phải là sữa “pha chế”? Sữa siêu lọc được làm từ sữa tươi, chỉ thay đổi tỷ lệ các thành phần tự nhiên; cách ghi tên và công bố trên nhãn phải tuân theo quy định từng thị trường.

Thuật ngữ liên quan