希腊酸奶的主要副产品希腊酸奶酸乳清(GAW)的处理一直是一个棘手问题。GAW的生物和化学需氧量较高，超出了废水处理设备的处理能力。将其作为牲畜饲料的成分会对奶牛的消化系统产生负面影响，而作为农田肥料的成分大量施用又会降低农田生产率。因此亟待开发一种具有潜在经济可行性的技术，以实现GAW在工业规模上的回收利用，并提高其附加值。
从酸乳清中提取高价值的钙补充剂(乳钙)有望为解决上述问题提供新的思路：通过中和GAW纳滤滞留物以沉淀磷酸钙，随后在水力旋流器中对沉淀物进行分级以生产乳钙。大颗粒在重力作用下迅速沉降，通过倾析和干燥获得大颗粒乳钙。用微滤(MF)处理剩余液体，以从中分离出沉淀的细小颗粒。沉淀物经喷雾干燥器干燥后，制成最终乳钙产品。
美国威斯康星大学麦迪逊分校George W. Huber团队在实验室和中试规模上对以GAW为原料生产具有高附加值的葡萄糖-半乳糖糖浆(GGS)和乳钙产品的工艺进行了研究和优化，并评估了该工艺的经济潜力。此外，还在环境影响方面与高果糖玉米糖浆(HFCS)和蔗糖(SS)生产工艺进行了比较。
图文解读
Fig. 3. Particle size distribution of the milk minerals produced by spray drying the MF retentate.
图3显示了通过喷雾干燥MF滞留物生产的乳钙的粒度分布。该峰显示的粒径为8.2 μm，平均粒径为8.9 μm，且未观察到大于30 μm的颗粒的产生。如表2所示，乳钙由15%的乳糖、3%的半乳糖、62.7%的无机盐(包括21.6%的钙)以及12.2%的水组成。与商业产品(Glanbia生产的TruCal)相比，该工艺生产的乳钙具有更高的水分和糖含量，但含盐量较低。水分含量的增加可能是由于表征过程中乳钙吸收了水分，而较高糖含量则归因于GAW中半乳糖的存在。
Tab. 2. Composition of milk minerals produced in the CDR pilot plant compared to TruCal, a commercial milk minerals product produced by Glanbia. Units in weight%, except for particle size.
图1示出了将MF渗透物转化为GGS的工艺流程。首先，MF渗透物通过阳离子交换树脂，MF渗透物中的阳离子被树脂吸附，同时树脂将酸性质子释放到溶液中，使pH降至约1.1。随后，酸化的MF渗透物被送至140℃的恒温反应器中，在均相酸催化剂的作用下进行乳糖水解。在约2.4 mL/min的进料流速下，乳糖以90%的转化率和99%的单糖选择性转化为单糖葡萄糖和半乳糖。然后用阴离子交换树脂分批处理反应产物，其中94%的阴离子(包括有机酸)被吸附到树脂上，从而导致氢氧根离子的释放。当pH达到6.5-7时，通过使用真空过滤从反应产物中除去树脂以终止树脂交换过程。
Fig. 1. Process flow diagram for the pilot-scale and laboratory-scale operationsperformed at UW-Madison to produce GGS and milk minerals from ultrafiltered GAWpermeate. Section 1 (left) shows operations performed at the Center for Dairy Research pilotplant at UW-Madison, and Section 2 (right) shows operations performed at the laboratorybenchtop-scale in the research lab at UW-Madison.
使用旋转蒸发器在75℃下蒸发中和后的反应产物，以除去水分并提高总固体含量。由于蒸发器中的糖浆在总固体含量为45%时剧烈起泡，为避免产品损失迫使停止蒸发。作者认为在商业或中试规模的蒸发器中总固体含量可以达到71%(该含量与现有的甜味剂糖浆如HFCS相同)。由于糖浆为深棕色，因此，在间歇过程中使用活性炭进行处理以减轻颜色，并通过注射过滤器除去活性炭以获得最终GGS产品。
如表3所示，作者将使用该方法生产的GGS的组成与HFCS-42进行了比较。GGS比HFCS-42少6.9 wt%的单糖，多4.8 wt%的低聚糖(未反应的乳糖)，多2 wt%的非糖组分。GGS的相对甜度预计在HFCS-42的5%以内。虽然GGS中各种糖的相对甜度远低于HFCS-42，但GGS的成分表现出协同的甜味效果，从而使得该糖浆的相对甜味较高。
Tab. 3. Comparison of GGS and HFCS-42. NPN refers to non-protein nitrogen, and HMF refers to 5-hydroxymethyl furfural
如图7所示，作者通过生命周期评价在环境影响方面对本文的GGS和HFCS、SS生产工艺进行了比较。从GAW中产生的GGS的全球变暖潜力值比HFCS和SS低65.49%至83.97%(139.6 kg CO2 eq./t)。臭氧形成(0.5 kg NOx eq./t)和耗水量(200.5 m3/t)也比HFCS和SS低23.25%至83.57%。HFCS的全球变暖潜力(870.8 kg CO2 eq./t)和臭氧形成(2.0 kg NOx eq./t)最高，而SS的耗水量最高(1220.0 m3/t)。因此，本研究中提出的GGS生产工艺是三种甜味剂中最环保的。综上，与HFCS和SS相比，从GAW中产生的GGS具有更低的碳足迹、臭氧形成和耗水量。
Fig. 7. The environmental impact of GGS, HFCS, and SS in terms of global warming, ozone formation, and water consumption categories.
总结
作者开发了一种从GAW生产乳钙和甜味剂(GGS)的工艺。在中试实验过程中，在水力旋流器内观察到颗粒尺寸的减小，但未观察到颗粒尺寸的分级。研究表明，生产的乳钙具有与商业乳钙产品相似的磷酸钙浓度。实验室规模的GGS生产通过离子交换、活性炭过滤、乳糖水解和蒸发操作实现。生命周期评价结果表明，从全球变暖潜力、臭氧形成和耗水量方面来看，以GAW为原料生产的GGS比从玉米中生产的HFCS和从甘蔗中生产的SS更环保。
