第四节　蒸发浓缩技术

一、浓缩技术

1.原理

使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸气，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发。所使用的设备为蒸发器。蒸发工艺广泛应用于化工、食品、制药、原子能等工业中。

被蒸发的溶液可以是水溶液，也可以是其他溶剂的溶液，本节只限于讨论水溶液的蒸发。从溶液中蒸发的蒸汽称为二次蒸汽，以区别于新鲜加热蒸汽（又称为生蒸汽）。一般情况下，经浓缩得到的液体为产品，二次蒸汽通常用冷凝的方法被排出。在生产中，若二次蒸汽直接冷凝不利用其冷凝热的操作称为单效蒸发。若将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽，以利用其冷凝热，这种串联蒸发操作称为多效蒸发。

工业上的蒸发操作经常在减压条件下进行，这种操作称为真空蒸发。真空操作的特点在于：①减压下溶液的沸点下降，有利于处理热系统热敏性物料，且可利用低压强的蒸汽或废蒸汽作为热源；②溶液的沸点随所处的压强减小而降低，故对相同压强的加热蒸汽而言，当溶液处于减压时可以提高传热温度差；但与此同时，溶液黏度加大，使总传热系数下降；③真空蒸发系统要求有造成减压的装置，使系统的投资费和操作费提高。

蒸发操作就是从溶液中分离出部分溶剂，而过程的实质是传热壁面一侧为加热蒸汽进行冷凝，另一侧为溶液进行沸腾间的传热过程，溶剂的汽化速率由传热速率控制，故蒸发属于热量传递过程，但又有别于一般传热过程，因为蒸发过程具有下述特点。

①传热性质　传热壁面一侧为加热蒸汽进行冷凝，另一侧为沸腾的溶液，故属于壁面两侧液体均有相变的恒温传热过程。

②溶液性质　有些溶液在蒸发过程中有晶体析出、易结垢和产生泡沫、高温下易分解或聚合；溶液的黏度在蒸发过程中逐渐增大，腐蚀性逐渐加强。

③溶液沸点的改变　含有不挥发溶质的溶液，其蒸气压较同温度下溶剂（即纯水）的低，换而言之，在相同压强下，溶液的沸点高于纯水的沸点，故当加热蒸汽一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发水的温度差。溶液浓度越高，这种现象越显著。

④泡沫挟带　二次蒸汽中常挟带大量泡沫，冷凝前必须高温除去，否则不但损失物料，而且污染冷凝设备。

⑤能源利用　蒸发时产生大量的二次蒸汽，如何利用它的潜能，是蒸发操作中要考虑的关键问题之一。

2.蒸发设备

鉴于以上原因，蒸发器的结构必须有别于一般的换热器。蒸发器主要由加热室及分离器组成。按加热室的结构和操作时溶液的流动情况可将工业中常用的间接加热蒸发器分为循环型（非膜式）和单程型（膜式）两大类。

不同的生产任务对蒸发器的要求也不同。一般选型时应考虑以下因素。

①溶液的黏度　蒸发过程中溶液黏度变化的范围，是选型首要考虑的因素，各类蒸发器适用溶液黏度的范围见表2-13。

②溶液的热稳定性　长时间受热易分解、易聚合以及易结垢的溶液蒸发时，应采用滞料量少、停留时间短的蒸发器。

③有晶体析出的溶液　对蒸发时有晶体析出的溶液应采用外热式蒸发器或强制循环蒸发器。

④易发泡的溶液　易发泡的溶液在蒸发时会生成大量层层重叠不易破碎的泡沫，充满了整个分离室后即随二次蒸汽排出，不但损失物料，而且污染冷凝器。蒸发这种溶液宜采用外热式蒸发器、强制循环蒸发器或升膜蒸发器。若将中央循环管蒸发器和悬筐蒸发器设计大一些，也可用于这种溶液的蒸发。

⑤有腐蚀性的溶液　蒸发有腐蚀性的溶液时，加热管应采用特殊材质制成，或内壁衬以耐腐蚀材料。若溶液不怕污染，也可采用浸没燃烧蒸发器。

⑥易结垢的溶液　无论蒸发何种溶液，蒸发器长久使用后，传热面上总会有污垢生成。垢层的热导率小，因此，对易结垢的溶液，应考虑选择便于清洗和溶液循环速度大的蒸发器。

⑦溶液的处理量　溶液的处理量也是选型应考虑的因素。要求传热面大于10m²时，不宜选用刮板搅拌薄膜蒸发器，要求传热面在20m²时，宜采用多效蒸发操作。

3.单效蒸发

蒸发计算中需要知道溶液的沸点。一定压强下，溶液的沸点较纯水的要高，两者的沸点之差称为溶液的沸点升高。一般稀溶液或有机溶液的沸点升高值较小；而无机盐溶液的则较大，有时可达六七十度或更高。对于同一种溶液，沸点升高值随溶液浓度及蒸发器内液柱高度而异，浓度越大、液柱越高，沸点升高值越大。溶液沸点升高的计算式为：

Δ=t-T'

式中　Δ——溶液的沸点升高，℃；

t——溶液的沸点，℃；

T'——与溶液压强相等时水的沸点，即二次蒸汽的饱和温度，℃。

在操作过程中，当加热蒸汽温度T一定时，由于溶液的沸点升高，使蒸发器中的传热有效温度差Δt小于未考虑沸点升高时理论上的传热温度差Δt_T，由于沸点升高使传热温度差降低，故溶液的沸点升高又称为传热的温度差损失，即：

Δt_T-Δt=Δ或Δt=Δt_T-Δ

式中　Δt——传热的有效温度差，℃；

Δt_T——理论上的传热温度差，℃。

蒸发过程中引起温度差损失的原因有：①因溶液的蒸气压下降而引起的温度差损失Δ'；②因加热管内液柱静压强而引起温度的差损失Δ″；③因管路液体阻力而引起的温度差损失Δ‴。故总温度差损失为：Δ=Δ'+Δ″+Δ‴。

（1）由于溶液蒸气压下降而引起的温度差损失Δ'

由于溶液蒸气压下降而引起的温度差损失为：

Δ'=t_A-T'

溶液的沸点主要与溶液的类别、浓度及操作压强有关，一般由实验测定。有时蒸发操作在加压或减压下进行，因此必须求出各种浓度的溶液在不同压强下的沸点。当缺乏实验数据时，可以用下式先估算出沸点升高值，即：

式中　——常压下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高（即温度差损失），可由实验测定的t_A值求得，℃；

Δ'——操作压强下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高，℃；

f——校正系数，量纲为1，其经验计算式为；

T'——操作压强下二次蒸汽的温度，℃；

r'——操作压强下二次蒸汽的汽化热，kJ/kg。

溶液的沸点也可用杜林规则计算，这个规则说明溶液的沸点和相同压强下标准溶液沸点间呈线性关系。由于容易获得纯水在各种压强下的沸点，故一般选用纯水作为标准溶液。只要知道溶液和水在两个不同压强下的沸点，在直角坐标图上标绘相对应的沸点值即可得到一条直线，称为杜林直线。由此可知，对一定浓度的溶液，只要知道它在两个不同压强下的沸点，再查出相应压强下水的沸点，即可绘出该浓度溶液的杜林直线，由此直线就可求得该溶液在其他压强下的沸点。图2-29所示的为不同NaOH水溶液的杜林直线群。在任一直线上（即任一浓度），譬如在80％的线上任选N及M两点，该两点坐标值分别代表相应压强下溶液的沸点与水的沸点，设溶液沸点为及t_A，水的沸点为及t_w，则直线的斜率为：

式中　k——杜林直线的斜率，无量纲；

t_A，t_w——压强p_M下溶液的沸点与纯水的沸点，℃；

，——压强p_N下溶液的沸点与纯水的沸点，℃。

当某压强下水的沸点t_w=0时，上式变为：

式中　y_w——杜林线的截距，℃。

不同浓度的杜林直线是不平行的，斜率k与截距y_w都是溶液质量浓度χ的函数，对NaOH水溶液，k、y_w与χ的经验关系为：

k=1+0.142χ

y_w=150.75χ²-2.71χ

式中　χ——溶液的质量浓度。

（2）因加热管内液柱静压强而引起的温度差损失Δ″

某些蒸发器的加热管内积有一定高度的溶液，液层内各截面上的压强大于液体表面的压强，因此，液层内溶液的沸点高于液面的沸点，液层内部沸点与表面沸点之差即为因液柱静压强而引起的温度差损失Δ″。为了简便，计算时往往以液层中部的平均压强p_M及相应的沸点t_Am为准，中部压强为：

式中　p_M——液层中部的平均压强，Pa；

p'——液面的压强，即二次蒸汽的压强，Pa；

g——重力加速度，m/s²；

ρ——液体密度，kg/m³；

l——液层深度，m。

（3）由于管中和液体阻力而引起的温度差损失Δ‴

多效蒸发中二次蒸汽由前效管中和送至下效作为加热蒸汽，因管道液体阻力使二次蒸汽的压强稍有降低，温度也相应下降，一般约降1℃。例如前效二次蒸汽离开液面时为95℃，经管中和送到后效时降为94℃，致使后效的有效温度差损失1℃，这种损失即为因管中和液体阻力而引起的温度差损失Δ‴。Δ‴的计算相当繁琐，一般取效间二次蒸汽温度下降1℃，末效或单效蒸发器至冷凝器间下降1～1.5℃。

应予指出，在蒸发过程的计算中，溶液的沸点是基本数据。溶液的温度差损失不仅是计算沸点所必需的，而且对选择加热蒸汽的压强（或其他加热介质的种类和温度）也是很重要的。例如若温度损失很大时，沸点就很高，因而必须相应地提高加热蒸汽的压强，以保证具有必要的传热温度差。

（4）蒸发器的生产能力和生产强度

蒸发器的能力用单位时间内蒸发的水分量，即蒸发量表示，其单位为kg/h。蒸发器生产能力的大小取决于通过传热面的传热速率Q，因此也可以用蒸发器的传热速率来衡量其生产能力。根据传热速率方程知单效蒸发时的传热速率为：

Q=KSΔt　或　Q=KS（T-t₁）

若蒸发器的热损失可以忽略，且原料液在沸点下进入蒸发器，则由蒸发器的焓衡算可知，通过传热面所传递的热量全部用于蒸发水分，这时蒸发器的生产能力和传递速率呈比例。若原料液在低于沸点下进入蒸发器，则需要消耗部分热量将冷溶液加热至沸点，因而降低了蒸发器的生产能力。若原料液在高于沸点下进入蒸发器，则由于部分原料液的自动蒸发，致使蒸发器的生产能力有所增加。

传热温度差Δt主要取决于加热蒸汽和冷凝器中二次蒸汽的压强。加热蒸汽的压强越高，其饱和温度也越高，但加热蒸汽压强常受工厂的供汽条件所限，一般为300～500kPa，有时可高到600～800kPa。提高冷凝器的真空度，使溶液的沸点降低，黏度增高，沸腾传热系数下降，因此，一般冷凝器中的压强不低于10～20kPa。另外，为了控制沸腾操作局限于泡核沸腾区，也不宜采用过高的传热温度差。由以上分析可知，传热温度差的提高是有一定限度的。

一般来说，增大总传热系数是提高蒸发器生产强度的主要途径。总传热系数K值取决于对流传热系数和污垢热阻，蒸汽冷凝传热系数α，通常总比溶液沸腾传热系数α_i大，即总热阻中，蒸汽冷凝侧的热阻较小，不过在蒸发器的设计和操作中，必需考虑及时排除蒸汽中的不凝气，否则其热阻将大大地增加，使总传热系数下降。管内溶液侧的污垢热阻往往是影响总传热系数的重要因素。尤其在处理易结垢和有结晶析出的溶液时，在传热面上很快形成垢层，使K值急剧下降。为了减小垢层热阻，蒸发器必须定期清洗。此外，减小垢层热阻的措施还有：选用适宜的蒸发器形式，例如强制循环蒸发器等；在溶液中加入晶种或微量阻垢剂，以阻止在传热面上形成垢层。管内溶液沸腾传热系数α_i是影响总传热系数的主要因素，虽然影响沸腾传热系数的因素很多，如溶液的性质，蒸发器的操作条件及蒸发器的类型等。

4.多效蒸发

在单效蒸发器中每蒸发1kg的水要消耗比1kg多一些的加热蒸汽。在工业生产中，蒸发大量的水分必需消耗大量的加热蒸汽。为了减少加热蒸汽消耗量，可采用多效蒸发操作。多效蒸发时，要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效的低，因此，可引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质，后效的加热室成为前效二次蒸汽的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸汽，这就是多效蒸发的操作原理。一般多效蒸发装置的末效或后几效总是在真空下操作。由于各效（末效除外）的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽，故提高了生蒸汽的利用率，即经济性。假若单效蒸发或多效蒸发装置中所蒸发的水量相等，则前者需要的生蒸汽量远大于后者。

根据加料方式不同，常见的多效蒸发操作流程有以下三种。

（1）并流（顺流）加料法的蒸发流程

并流加料法是最常见的蒸发操作流程，图2-30所示的为由三个蒸发器组成的三效并流加料的流程。溶液和蒸汽的流向相同，即都由第一效顺序流至末效，故称为并流加料法。生蒸汽通往第一效加热室，蒸发出的二次蒸汽进入第二效的加热室作为加热蒸汽，第二效的二次蒸汽又进入第三效的加热室作为加热蒸汽，第三效（末效）的二次蒸汽则送至冷凝器全部冷凝。原料液进入第一效，浓缩后由底部排出，依次流动，后面各效时即被连续不断地浓缩，完成液由末效底部取出。

并流加料法的优点为：由于后效蒸发室的压强比前效的低，故溶液在效间的输送可以利用效间的压强差，而不必另外用泵。此外，由于后效溶液的沸点较前效的低，故前效的溶液进入后效时，会因过热而自动蒸发（称为自蒸发或闪蒸），因而可以多产生一部分二次蒸汽。

并流加料的缺点为：由于后效溶液的浓度较前效的高，且温度又较低，所以沿溶液流动方向的黏度逐渐增高，致使传热系数逐渐下降，这种情况在后二效尤为严重。

（2）逆流加料法的蒸发过程

图2-31为三效逆流加料流程。原料液由末效进入，用泵依次输送至前效，完成液由第一效底部取出。加热蒸汽的流向仍是由第一效顺序至末效。因蒸汽和溶液的流动方向相反，故称为逆流加料法。

逆流加料法蒸发流程的主要优点是溶液的浓度沿着流动方向不断提高，同时温度也逐渐上升，因此，各效溶液的黏度较为接近，使各效的传热系数也大致相同。其缺点是效间的溶液需用泵输送，能量消耗较大，且因各效的进料温度均低于沸点，与并流加料法相比较，产生的二次蒸汽量也较少。

一般来说，逆流加料法宜于处理黏度随温度和浓度变化较大的溶液，而不宜于处理热敏性的溶液。

（3）平流加料法的蒸发流程

平流加料法的三效蒸发装置流程如图2-32所示。原料液分别加入各效中，完成液也分别自各效底部取出。蒸汽的流向仍是由第一效流至末效。此种流程适用于处理蒸发过程中伴有结晶析出的溶液。某些盐溶液的浓缩，因为有结晶析出，不便于在效间输送，则宜采用平流加料法。

多效蒸发装置除以上几种流程外，生产中还可根据具体情况采用上述基本流程的变形。例如，NaOH水溶液的蒸发，有时采用并流和逆流相结合的流程。

此外，在多效蒸发器中，有时并不将每一效所产生的二次蒸汽全部引入后一效作为加热蒸汽用，而是将其中一部分引出用于预热原料液或用于其他和蒸发操作无关的传热过程。引出的蒸汽称为额外蒸汽。但末效的二次蒸汽因其压强较低，一般不再引出作为它用，而是全部送入冷凝器。

二、乳粉的浓缩蒸发过程

为了提高整个加工过程的效率，越来越趋向于在干燥之前尽最大可能地浓缩牛乳。在现代乳品加工厂，脱脂粉和全脂粉的浓缩乳的浓度是48％～50％，乳清粉的浓缩乳的浓度是55％～60％，滤过物浓缩乳的浓度是60％～70％。

现在有人建议蒸发器和干燥器应该被设计成能够处理更高浓度的牛乳。但是使用更高浓度的浓缩乳并不是一个与蒸发器和干燥器有关的工程问题，它是一个技术问题。经验表明，如果牛乳被浓缩到超过以上所提到的浓度，那么乳粉的质量就会受到影响，特别是溶解度会受到影响。

酪蛋白的稳定性对乳粉的溶解性起决定性作用。乳粉的溶解性不良通常是因为酪蛋白的凝聚，酪蛋白的稳定性与pH值、盐类的平衡变化密切相关，这两点都受到牛乳浓度的影响。滴定酸度与浓度呈正比关系。牛乳浓度增加，H⁺浓度也会增加，通常生鲜牛乳的pH值为6.7，浓度为48％～50％的牛乳pH值大约为6.1。当浓缩过程放大了牛乳pH值改变的效应时，牛乳中酸度的微量增加足以降低酪蛋白的稳定性。尽管远离等电点，pH值也能够达到使酪蛋白产生轻微沉淀的程度，从而导致乳粉的溶解性不良。生鲜牛乳中蛋白质的含量、浓度、温度、酸度和盐类的平衡等诸多相关因素意在降低酪蛋白的稳定性。

数据表明，至今为止所使用的浓缩工艺是近乎优化的条件。当在使用这些浓缩物时，牛乳成分季节性的变化足以引起蛋白质的变性。但是，稳定性可以通过降低浓度来恢复——通常总固体的浓度降低1％～2％就可以达到目的。

众所周知，哺乳期会影响牛乳的组分。当牛从牛舍中迁移到牧场中，牛乳的组分也会发生变化。在哺乳期牛乳的蛋白质含量升高，从而显著提高浓缩乳的黏度。由于黏度的升高，导致热处理强度的提高。

通常，希望在蒸发器和干燥器之间有足够的余地，从而保证随着每年浓缩乳的变化仍能保持生产能力。当对牛乳进行干燥时，将蒸发器的操作条件设计为50％的浓度，喷雾干燥器的浓度为48％时，牛乳就会变得非常敏感。当牛乳的组分允许使用最大浓度进行生产时，通过降低进风温度就极易降低干燥器的生产能力。高固形物的浓缩乳的物理和化学性质会影响终产品的性质。在使用更高浓度的浓缩乳之前，对随着总固体含量的上升影响浓缩乳性质的各种因素进行充分的研究是非常必要的。

1.浓缩加热

浓缩乳在蒸发器中排放出来的温度大约是45℃。在使用回流装置或附效蒸发器时，浓缩乳的温度会有所提高。浓缩乳的黏度受到温度的显著影响（见图2-33）。通常情况下希望进入到雾化器的浓缩乳的黏度尽量低，为了做到这一点，在喷雾前浓缩乳需预热到70～75℃。优点如下。

①节约能源。使用蒸汽或热水对浓缩乳进行加热要比使用空气对干燥器中的浓缩乳进行加热效率要高得多。浓缩乳在进入雾化器前预热到70℃与预热到50℃相比，干燥器的蒸发能力可以提高5％。

②由于黏度降低，浓缩乳的雾化颗粒平均直径会变小。这样可以加速干燥，从而可以降低进风温度，而仍然保证产品达到规定的含水量。较低的排风温度可以提高生产能力（也就是降低每吨产品的能耗）以及干燥的强度，从而提高产品的质量，特别是改善了产品的溶解度。当使用一级喷雾干燥器进行高固体含量的浓缩乳生产时，这一点尤为重要。因为排风温度会达到临界温度。

③在蒸发的最后阶段，干燥器供料缸中牛乳的温度是微生物生长的适宜温度，因此，在干燥前对浓缩乳进行热处理能够控制产品的微生物指标。浓缩乳在热处理过程中的保留时间不能过长，也就是浓缩加热器必须与雾化器相连。这对避免在温度高于60℃时产生“老化变稠”现象也非常有好处。热浓缩由于保留时间长而产生老化变稠是不可逆的，而且黏度会急剧升高。

在干燥器车间内如果浓缩乳加热器是安放在地面，那么在进料管路中浓缩乳的保留时间较长，会发生变稠现象。浓缩加热器应放在进料泵和雾化器之间，而且要安装在干燥室顶部与雾化器相连的地方。盘管式热交换器中，加热介质是低压蒸汽或热水，在产品和热介质的温差较小时热交换器能够正常的运转，而且产品的流速也比较高。在使用喷嘴雾化时，也可以使用刮板式（scraped-surface）热交换器，管式热交换器也可以比较容易地设计成在高压条件下进行生产。

2.浓缩蒸发

除去水分，目前常用并且在技术上可行的有三种途径：①干燥，除去气态的H₂O（蒸汽）；②反渗透/超滤，除去液态H₂O（水）；③冷冻浓缩，除去固态的水（冰）。

（1）蒸发浓缩

①原理　蒸发是被确认最古老且应用最广泛的方法。然而，就耗能及在加工过程中不可避免的热损失而言，蒸发过程是相对最昂贵的。在少数发达国家，蒸发就是液体在敞开的锅中沸腾这一简单的热转移过程。在别处，利用真空状态下，牛乳温度保持在40～70℃沸腾，可将加热过程中的损失降到最小程度。在这些条件下，压力（真空状态）、乳的浓缩液（沸点高度）和液柱的流体静力压力的最小范围内，保持牛乳的沸腾温度。在干燥过程中牛乳的温度是一个受压力控制的值，蒸汽和流体是相对平衡的。虽然现代化的干燥设备显示出可怕的复杂性，但是它的基本要求是简单的，与每一个工厂一样，即：a.真空蒸发器充当了热交换器；b.分离器用来分离蒸汽和浓缩液；c.冷凝器用来冷凝蒸汽；d.抽真空和运输浓缩乳的设备。

蒸发器是影响浓缩物质量和操作效率的最重要的一环。多年前就已使用过多种结构，包括结构简单的平底锅蒸发，多种类循环蒸发器和最近高效能的类型，如盘管式（plate）升、降膜结构。例如，削刮式热交换器表面的特殊结构已被建议用于干燥固形物含量高的牛乳。

高速是降膜蒸发管重要的设计特点，受到管子长度和直径、温度和真空程度的影响。高速保证牛乳在高温处通过的时间短，提高了热交换器的热效率，从而控制了牛乳在生产过程中的热损失。

②蒸发的分类

a.自然蒸发。溶液中的溶剂（一般为水）在常温下吸热汽化，进行蒸发，且整个蒸发过程仅发生在溶液表面，蒸发速率较慢，乳品工业上几乎不采用。

b.沸腾蒸发。在某一压力下，将溶液加热至沸腾，溶剂的汽化在液面和溶液内的各个部分同时进行，蒸发速率高。根据液面上方压力的不同，沸腾蒸发又可分为以下两种。

•常压蒸发。即蒸发过程是在常压下进行的，溶液的沸点就是某种物质本身的沸点，蒸发速率较慢。乳品工业上最早使用的平锅浓缩就是常压蒸发，但目前该蒸发方法几乎已不采用。

•真空蒸发。利用抽真空设备，使蒸发过程维持在一定的真空状态下进行。由于压力越低，溶液的沸点就越低，所以整个蒸发过程都是在较低的温度下进行的，特别适合于热敏性物料的浓缩，而且由于真空蒸发速率较快，故在乳品工业上得到了广泛的应用。

③保证蒸发过程顺利进行的基本条件

a.不断地供给热量。牛乳中的水分沸腾以及发生汽化都需要吸收大量的热量，所以，若要维持牛乳沸腾蒸发的状态，就必须不断地供给热量，热量的来源就是锅炉产生的加热蒸汽。

b.不断地排出二次蒸汽。牛乳水分汽化时会产生大量的二次蒸汽，如果二次蒸汽不能及时排除，牛乳液面的压力就会上升，从而引起牛乳沸点升高。这样一方面会影响蒸发速率，另一方面也会增大能耗，而且对牛乳营养成分的保留也不利。实际操作时，通过冷凝器使二次蒸汽冷凝后以冷却水的形式排出系统外。

（2）冷冻浓缩

冷冻浓缩是利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理的一种浓缩方法。采用冷冻浓缩方法在浓度上是有限度的。当溶液中溶质浓度超过低共溶浓度时，过饱和溶液冷却的表现为溶质转化成晶体析出。这时溶液中溶质的浓度不仅不会升高，相反却会降低。但是当溶质中所含溶质浓度低于低共溶浓度时，则冷却结果表现为溶剂成为晶体析出。随着溶剂呈晶体析出的同时，溶液中溶质的浓度就得到了提高。此即冷冻浓缩的基本原理。

冷冻浓缩非常适用于热敏性食品的浓缩生产。由于溶液中水分的排除不是用加热蒸发的方法，而是靠从溶液到冰晶之间的相际传递，所以可避免风味物质因加热所造成的挥发损失。为了更好地使操作时所形成的冰晶不混有溶质，分离时又不致使冰晶夹带溶质，防止造成过多的溶质损失，结晶要尽量避免局部过冷，分离操作要很好地加以控制。在这种情况下，冷冻浓缩就可以充分地显示出它独特的优越性。对于含挥发性风味物质的食品采用冷冻浓缩，其品质将优于蒸发法和膜过滤法。牛乳冷冻浓缩的方法通常是先将牛乳冷却到凝固点下再除去冰晶体。现代的冷冻浓缩工厂已经发展到了很大的规模。

①工业冷冻浓缩

a.层状冻结。在管式、板式、转鼓式以及带式设备中进行的一种冻结操作，层状冻结是晶层依次沉积在先前由同一溶液所形成的晶层上，是一种单向的冻结。冰晶常呈针状或棒状，带有垂直于冷却面的不规则断面。

b.悬浮冻结。发生在搅拌的冰晶悬浮液中的冻结操作，称为悬浮冻结。在悬浮冻结过程中，晶核形成速率与溶质呈正比，并与体过冷度的平方呈正比。由于结晶热一般不可能均匀地从整个悬浮液中除去，所以总存在着局部的点过冷度大于溶液主体的过冷度，从而在这些局部冷点处，晶核的形成就比溶液主体快得多，而晶体成长就要慢一些。

②冷冻浓缩的装置　冷冻浓缩的装置包括结晶器、压榨机、过滤式离心机和洗涤塔等。

现在通过一级冷冻浓缩已经可以将牛乳浓缩到36％～38％的乳固体含量。利用冷冻浓缩生产的产品感官特性很好，成分的损失也很小，营养成分的损失大约为100mg/L。但浓缩的分离过程不可能避免损失，因而成本非常高，大约是蒸发和反渗透的4～5倍；生产过程也存在着微生物污染的可能性，制品加工后还需经冷冻或加热等方法处理，以便保藏；而且溶液的黏度愈高，分离就愈困难。冷冻浓缩由于在加工过程中不使物料受热，因此，制品在色、香、味方面均得到最大限度的保留，就产品品质而言，可以说是最佳的。但是由于浓缩极限的限制及操作成本较高，使得其应用受到一定的限制，只能应用于一些高档制品的生产，或作为冷冻干燥过程中的半成品。

（3）超滤/反渗透

超滤/反渗透是近些年发展起来的新技术，其原理是在一定的外力作用下使溶液中的一部分物质通过过滤膜，而另一部分物质不能通过过滤膜，从而达到浓缩的目的。通过选用不同孔径的膜，还可以使溶液中不同相对分子质量的分子分离开来。

超滤与反渗透都属于膜过滤技术，其特点是不经过相变过程就可以达到浓缩的目的，但价格较昂贵，所以至今在国内应用受到一定的限制。

3.乳的蒸发浓缩

热对乳的影响很大。在实际生产乳粉的过程中，除去杀菌和预热的过程，还有长时间的加热过程——蒸发浓缩过程，为减少或减轻牛乳在该过程中营养成分的损失与变性，可以采取了真空浓缩的方法。根据物理原理，可知真空条件下液体的沸点温度比常压条件下低。根据这个原理，降低蒸发器中的压力度，使牛乳处于真空条件下，就能低温沸腾蒸发，这样就能减轻热对牛乳的影响。蒸发器中压力降至30.66 kPa，牛乳的沸腾温度不超过70℃。

Gail Borden是第一个使用真空浓缩蒸发器的人，1856年，他在美国的康涅狄格建立了第一家浓缩工厂。浓缩过程不能改变乳的保存性质，因此，通过在浓缩乳中加入蔗糖来抑制细菌的生长，这就是初期的甜炼乳。第二次世界大战以来，由于乳粉的出现，炼乳的生产量持续下降。

在乳粉干燥前，先用真空浓缩蒸发器浓缩乳，采用这一工艺过程已有一段时期了。1930年，建造了第一个与干燥设备相连接的蒸发器，由铜或铝制成。第二次世界大战后真空浓缩蒸发器又有了很大的发展，出现不锈钢质材，它最大的优点在于能用化学试剂清洗。由铜或铝制造的蒸发器易受到人工清洗的影响，当化学清洗变为可能时，人工清洗的方法逐步被淘汰，新样式蒸发器的出现成为必然。1973年，出现了新的浓缩设备，但是增加了耗能成本。

20世纪70年代，乳制品制造商普遍采用管式降膜蒸发器，其唯一的竞争者是1957年推出的盘管式蒸发器。1923年，英国APV公司的创始人理查德Seligman发明了盘式热交换器，从那时起，在乳品制造工厂盘式热交换器就成为了极为重要的一部分。这为带有盘管式热交换器的蒸发器在APV公司的诞生奠定了基础。这个设计被认为是相当成功的，它的优势体现在对建筑物高度要求低，可在现有设备中添加这个设备。更突出的优点是可以通过增加或移走部分盘式热交换片，来改变加热表面积，从而满足不同产品的生产加工要求。盘管式蒸发器操作简便、适用范围广，在接下来的近十年时间里，盘管式蒸发器在乳品制造业中占据了相当重要的一席。

（1）自然循环蒸发器

自然循环蒸发器也被认为是升膜蒸发器。自然循环蒸发器是由大量的管道组成的管式热交换器，牛乳就在这些管道中央向上流动，并在管式热交换器（加热器）中沸腾。管道外有一个蒸汽套，蒸汽在蒸汽套经过时，加热了里面的管道，牛乳由加热器的底部进入，在其底部开始沸腾，蒸汽泡快速地膨胀；作用力拖拽牛乳，使之形成一层很薄的膜高速地沿管壁向上流动，由加热器的顶部流出，直接进入分离器中，在分离器中气液分离。分离出来的蒸汽又被用来加热下一效的媒介。最后一效排出的蒸汽通向冷凝器。产品由管道流回到加热器的底部（再循环）直到达到浓缩的预定程度。自然循环蒸发器通常为双效，即有两个蒸发器，通常其管长为4m，直径为25mm。

（2）降膜蒸发器

乳粉生产的特殊性对蒸发器的处理能力提出了新的更高的要求：处理量比现有蒸发器的量大得多，能同时浓缩，浓缩速率更快，提高蒸汽的使用率，改善产品的品质。1953年，德国生产了第一部降膜蒸发器。由于降膜蒸发原理具有显著的优越性，因而很快被欧洲的蒸发器主要生产厂商所采用。

在这以后的多年间，管式降膜蒸发器已成为了乳制品工厂采用的唯一的蒸发器。蒸汽使用后经压缩可再次利用，系统的效率得到提高。

高效率的蒸汽系统被获得，依靠再次压缩的蒸汽加入到沸腾的牛乳中。用蒸汽套或是机械压缩机压缩蒸汽，这样一来提高了蒸汽的能量。直到今天还在采用这两种压缩器。根据压缩方式的不同可分为TVR蒸发器和MVR蒸发器。

三、浓缩处理引起的乳的变化

浓缩指数R被定义为浓缩物中干物质的含量与被浓缩产品中干物质含量的比值。因此1/R就是浓缩物的质量和浓缩前的质量的比值。在浓缩过程中产生的各种变化最重要的是溶质浓度增加与水的关系。

1.浓缩与水分的关系

乳在浓缩过程中最重要的变化是水的变化，这将会导致水分活度以及水分参与其他物质反应能力的变化。

（1）乳制品的吸湿等温线

对乳制品来说，因为乳糖的物理状态比较复杂，所以其吸湿等温线比较复杂。在喷雾干燥乳粉中，乳糖通常以无定形形式存在，也就是说，这是一个含有少量水分的高度浓缩溶液，即水分活度非常低；当乳糖结晶时，乳糖吸收了水分，相当于等摩尔的乳糖和水分从溶液中被除去。在乳糖逐步吸水的过程中，乳糖和水分从溶液中被除去。在乳粉逐步吸水的过程中，乳糖在某一状态下开始结晶（水分含量0.4％），此时已经不是等温解吸，于是解吸曲线发生了变化。在一些测定乳粉中水分含量的方法中不考虑结晶水而进行测定，若水分含量采用这样的定义的话，则从整个过程来说，水分在相同的水分含量时要高一些。室温下脱脂乳粉中水分和水分含量的关系如图2-34所示，吸湿等温线如图2-35所示。

吸收曲线以及吸收曲线之间的滞后现象是由温度决定的，一方面是由于在较高的温度、较低的水分活度时乳糖开始结晶；另一方面，当温度升高时，同一水分活度也开始升高。这一点可从图2-35（b）中看出，这是因为水分的蒸发需要消耗能量（也就是要超过水分的蒸发焓）；两条曲线最后在水分大于0.8时重合，此时将水分蒸发到相应的水分几乎不需要什么额外的能量。水分越低，水分受到的温度影响越大，除去水分所需消耗的能量也就越大。值得一提的是：产品中的最后一部分水是结合最紧密的，也是最难除去的。

（2）持水性

被结合到两相的界面上或与溶液中某些分子相结合的水分子已经无法自由运动。分子自由运动时，结合水分子的停留时间（水分子在结合部位停留的时间）要比自由水分子在此位置停留的时间长。这一时间的变化范围很大，停留的时间越长，水分子就被结合得越紧密。结晶水的结合通常是相当紧密的，如α-含水乳糖，球状蛋白质内部的水分子结合得也很紧密。氢键结合力、水及其他偶极和其他偶极之间，以及其他离子之间的结合力则相对较弱，停留的时间大约为1μs。水分也可以同疏水界面产生较弱的结合，这是由于在疏水界面周围的水分子形成了一种类似于冰的结构，因此停留的时间很长，这一现象发生在某些蛋白质分子的表面，因此10g蛋白质可以结合到多达几克的水分。

以上仅仅考虑结合在某一特定位置的水分子，但是更多的水分子可以被像蛋白质一类大分子吸引，水分子可以被保持和吸收，像在海绵里一样。牛乳中的酪蛋白胶束就是一个很好的例子，每个酪蛋白可以吸附2.2g水分，在溶液中，当一个大分子以扩散的状态在水中运动时，可以吸附更多的水分子。例如在4℃时，溶解的β-酪蛋白每克结合水为8mL，原因是除去酪蛋白中的水分就会改变酪蛋白胶束或卷曲形大分子的构象，而牛乳在凝固酶的作用下形成了凝胶，那么牛乳中的水分就会被截留在凝胶的空隙中，因此，如何区别结合水与保持水就显得相当重要。

影响水分结合量的因素很多，温度的升高会使水分结合量降低，反映为温度升高，水分增加。当物质中水分含量很低时，大分子能结合的水分也就很少，这是由于大量的溶质分子对作为溶剂的水分子进行竞争的结果，但是溶质也会对水的结合产生竞争，例如许多盐类就会同蛋白质竞争水的结合位置。例如在水分活度为0.99时，每克纯的酪蛋白能够吸附0.5g的水，但是在牛乳中仅为0.2g，甚至更少。另外，离子强度和pH值也能够对蛋白质与水分的结合产生影响，蛋白质与空气相接触不是与水相接触，也会对蛋白质与水的结合产生影响。

所有影响到大分子构象的因素都会影响到截留水分量，这些因素也同样会影响到分子间的化学键。在牛乳中酪蛋白胶束的体积是非常重要的，它的体积随着钙离子浓度的增加和温度的升高而缩小，但是钾盐的钠盐浓度增高会使它的体积增大，pH值的影响则相当复杂：当pH值降低时，酪蛋白胶束的体积先是减少（由于蛋白质构象的改变），然后再增加（由于磷酸盐胶体的损失），然后再减少，直到达到等电点。乳清蛋白热变性后，它结合水的数量迅速增加，每克蛋白质可以结合水分0.4～2.5g，一部分截留水可以通过施加压力，例如利用离心法沉淀酪蛋白胶束。

物质的持水性能具有非常重要的意义，因为所持水分影响到产品的黏度和其他物理性质，而且它使水分活度也稍稍降低。所保持的水分会产生下列影响。

①水分活度降低，从而使某些溶质的活度提高。

②结合水不能够冻结，有些人甚至利用这一点对结合水进行定义。牛乳中有很大一部分水分不易冻结，这是因为溶质降低了凝固点，但是通常认为这一现象在温度低于-30℃或-40℃时是不明显的。

③结合水不能作溶剂，因此若溶质不能结合水，则溶质浓度要比其应有的浓度高。由于溶质表面能够在界面表面发生负电吸附，在溶液中不能作为溶剂的水数量可能会更多。负电吸附溶质分子能够同界面脱离。在牛乳体系中蛋白质的界面区非常大，例如酪蛋白的界面区为100m²/g，所以它的影响不容忽视。有些溶质，如蔗糖也会产生负电吸附。图2-36表明在酪蛋白中，非溶剂水数量随着溶质分子直径的增大而增大。图中同时也给出了溶质通过空间排斥而进行负吸附的形象描述。对于比水分子大的溶质分子必须停留在离界面较远的地方，因此就会产生一部分无溶质的“纯水”区。这仅是一种简化，但足以解释这一点。同时也说明非溶剂水的数量取决于溶质的种类而不是溶质的浓度。乳糖的非溶剂水的数量是0.55g/g酪蛋白；对于更小的溶质分子（不被吸附），它的非溶剂水的数量会更少，而对于像乳清蛋白这样大分子的非溶剂水的数量就会很高。溶质的负电会导致水分活度的增加以及渗透压的增加，而当溶质吸附到蛋白质表面时，水分活度就会降低，蛋白质表面会发生溶质的正吸附。

④当结合水被结合得很牢固时，它将根本不能够参与化学反应。这样与水的浓度有关的反应速率就会降低。对于结合水的定义还是相当模糊的，这是因为结合水的数量的确定取决于其测定的依据和方法。

2.浓缩带来的牛乳特性的总体变化

当牛乳中的水分被除去时，它的性质发生了很大的变化，这一变化随着R的增大而增大。某些性质与R*呈正相关关系，这些变化与其他条件有关，比如是否经过热处理、热处理的时间以及浓缩后保温时间的长短。下面所列的是一些乳清浓缩后产生的重要变化。

①除了水分以及容易挥发的物质，溶质得到了浓缩。溶质的热力学活性得到提高，因为在浓缩过程中活性系数得到改变，物质活性的增加与R*并不呈正比。对于大多数亲水性物质，例如蔗糖，它的活性系数增加。

②由于浓缩时离子强度增加，从而引起离子活性系数降低，导致离子化程度的提高，以及盐的溶解性的增加；同时离子双电层的厚度减少。

③由于上述①的变化能够导致离子化的降低，但是②的变化却导致离子化程度的增加，离子的活性仅有略微的增加，这是因为牛奶中磷酸钙的浓度为饱和状态，并且可以沉淀下来。因为当R=2和R=3时，磷酸钙的沉淀pH值分别降低了0.3和0.5。当R=2.5时，钙的比例从0.4降到0.3。一价阳离子对二价氧离子的比例明显提高。在浓缩过程中乳蛋白的等电点不断降低。

④由于浓缩作用，牛乳的渗透压升高、凝固点降低、沸点升高、电导率增加。但由于磷酸钙的沉淀增加，它们的变化与R*并不呈正比。

⑤蛋白质的构象发生了改变。这时分子间的盐析效应增加，静电荷减少。由于溶剂数量的减少，蛋白质趋向于构成更紧密的结构。

⑥酪蛋白胶束体积增大。这并不是由于胶束的膨胀，而是由于胶束之间的结合而产生的。如果牛乳被加热到大部分乳清蛋白和酪蛋白完全变性的程度时，酪蛋白胶束体积不会有明显改变。

⑦由于浓缩作用溶质开始沉淀。通常柠檬酸钙、磷酸钙与酪蛋白胶束互相结合并不沉淀下来；在当R* =2.7时，乳糖在浓缩乳中达到饱和，由于其活性系数的增加导致了其溶解性的降低。在室温下，乳糖的溶解度在100g甜炼乳中仅仅是10g左右，而在纯水中是20g左右。当R* <12时，大多数溶质（包括蛋白质）并不会沉淀下来。

⑧表2-14描述了脱脂牛乳中水分活度的关系。实验表明，为了使水分活度有明显降低，需要除去很多水分。

⑨由于空气的水分活度和物质的水分活度在干燥过程中水分活度差增大，物质的亲水性增强。而水分的吸收与一些其他不可知的因素有关。

⑩牛乳的组织特性发生的变化。由于牛乳变成非牛顿流体，其黏度增加，随着水分的减少，失去流动性（对于脱脂乳当R>9时），最后变成坚硬的固体，这一过程完全取决于温度。

扩散系数降低。图2-37给出了脱脂乳中水的扩散系数受水分含量影响的状况，可以看出，在水分含量很低时，对扩散系数的影响很大。分子越大，对水含量的依赖性就越强。

其他物理性质的改变。例如密度增高、折射率增高、热传导率降低等。

3.浓缩乳制品中的反应速率

由于在过程中发生了一系列变化，因此对浓缩乳制品中化学反应的速率产生了很大的影响，这一点对于那些长保质期产品就显得非常重要。在浓缩过程中，很多反应条件发生了变化，但必须找到最相关的因素，通常水分活度对速率的改变有很大的作用，但也有例外。

一级化学反应的速率通常随着水分活度的降低而降低，化学反应的对数速率经常与水分活度有线性关系，抗坏血酸的氧化分解就是一个很好的例子。在许多食品中，水分活度从1降低到0时，其反应速率以10³的速度下降，与温度有关的反应速率通常随着水分活度的增高而提高。对于多级反应，情况通常就比较复杂，在浓缩中由于反应浓度升高，其反应速率也升高。当水作为反应物时，水分活度高，水不影响反应速率；但当水分活度很低时，就会对反应速率产生影响，这是因为在水分含量很低时，其扩散系数降低，而其他影响化学反应速率的因素有pH值等，也会对反应速率产生影响。通常在水分活度降低时，化学反应速率上升，然后下降。

在美拉德反应中有效赖氨酸损失，并产生了不良的风味。许多化学反应的速率与R的相关性不相同，反应途径也有所改变，这就是许多人在观察美拉德反应与水分活度的关系时得到不同结果的原因，但反应的趋势是相同的，如图2-38所示。

在一定的水分活度下，牛乳蛋白发生不可逆的溶解性的损失最严重，这是一种老化胶凝现象。液态产品在它开始成胶之前，其黏度不断升高；根据实验，当乳粉和水混合后，其溶解性降低。当水分下降时，化学反应速率提高，但是当水分活度不高于0.6时，反应速率降低。因此，浓缩乳制品在中等水分活度时很快变质，但在较高和较低的水分活度时比较稳定。脂肪氧化遵循另一条规律：当水分活度低时，脂肪氧化的速率随着水分活度的升高而降低。这是由于水分减少了自由基的存在时间，干扰了过氧化物的降解，降低了金属离子的催化活力。

蛋白质的变性、酶的钝化以及微生物的杀灭则与水分含量有很大关系。大多数化学反应的速率随浓度的增高而降低，但是程度有所不同。在水分活度很高的情况下，溶菌酶的变性速率随着水分活度的变化降低得很少，这是因为水分活度的变化使反应区水分含量的变化很少。根据热变性理论化学反应的活化熵与活化能随着水分活度的降低而降低。在大多数情况下，反应活化熵的减少是最明显的，导致反应速率降低，但是在某些情况下水分活度较低时反应速率仍然增加。反应活化能的降低表明：随着水分活度的降低，变性速率对温度的依赖性明显降低。化学反应速率通常与水分活度以及反应体系中其他物质的活度有关，在细菌杀灭的过程中尤为如此。这是因为浓缩使对细菌有害的物质和保护细菌的物质得到浓缩。

所有的酶催化反应通常都需要作为溶剂或反应物，因此，水分活度的降低通常导致了反应速率的降低。

微生物的生长和代谢与浓度有很大关系，因此，水分活度是一个很重要的参数。在水分活度很低时，微生物的延迟期也会变长。许多细菌生长的最适宜水分活度是0.99，细菌生长所需的最小水分活度是0.90～0.96。水分活度的微小变化会对微生物生长速率有很大影响。大多数酵母菌其生长的最小水分活度为0.87～0.91，但是有些微生物能够忍受更低的水分活度，有的细菌可以在水分活度为0.75～0.80时生长，有些霉菌可以在0.65～0.75的水分活度下生长。高渗酵母可以在0.60～0.65的水分活度下生长。导致水分活度降低的原因也会产生不同的效果。

某些水溶性物质在过饱和状态下的结晶也与水分活度有关。作为溶剂水的数量不足时，分子结晶的扩散系数太低，因而无法形成晶核，结晶无法发生。最经典的例子是喷雾干燥乳粉中的乳糖结晶，只有当水分活度达到0.40时，结晶才会形成。

浓缩乳中产生分层现象，如脂肪游离或乳糖晶体的沉淀，都与黏度有很大关系。因此，与浓缩指数也有很大关系。当乳粉保存在恒定的温度和湿度时，分离现象就不会发生。

当乳粉的温度升高时，反应速率会由于水分活度和温度的升高而升高。温度的升高很容易导致乳粉的变质，如蛋白质的不溶解和乳糖结晶的形成。由于水分总是从水分活度高的地方向水分活度低的地方迁移，所以，同一物质中水分会由温度高的区域扩展到温度低的区域。当乳粉被密封在一个袋子里面温度降低时，外层乳粉的水分活度降低，会从内部的乳粉吸收水分，从而达到高的水分含量。如果温度先由内部上升，外层的水分活度变高，乳粉可能会在水分活度恢复之前发生变质。

4.蒸发处理引起的乳的变化

蒸发用来生产淡炼乳和甜炼乳。牛乳、脱脂乳以及乳清的蒸发是为了在干燥过程中减少能量的损耗（用蒸发方式去除水分比喷雾干燥方式更经济）。蒸发经常在负压下进行，可以降低温度，减少在加工过程中不良反应的发生。

如上所述浓缩对产品的特性与稳定性有许多影响，但蒸发通常是在浓缩指数相当低的情况下进行的，所以水分活度不低于0.97，因此，牛乳蒸发时的化学变化并不是很显著。沸腾蒸发能够除去溶解在乳中的气体（O₂、N₂、CO₂），除去一些挥发性物质，从而可以去除一些不良的风味，同时，也引起了脂肪球的破坏，脂肪球被破碎成为小球时，界面层也发生了变化，因此，如果脂肪酶没有被完全钝化，在蒸发后脂肪比较容易被脂肪酶分解。

在蒸发过程中，如果浓缩指数过高，浓缩液的黏度会增大，从而使浓缩乳的流动性变差，导致在加热过程中管壁的结垢，因此，浓缩度不能过高。另外，随着浓缩程度的提高，牛乳的稳定性下降，特别是在温度较高时，美拉德反应以及蛋白质变性沉淀会非常明显；另外一个重要原因是由于黏度的迅速提高，最终导致凝胶的形成，因此，浓缩度很高的炼乳不能保藏很长时间。而且当浓缩度过高时，浓缩乳或脱脂乳中的乳糖会发生结晶，但结晶过程相当缓慢。在浓缩乳清中当R*>20时，乳糖结晶也会发生，利用这一现象可以从乳清中分离乳糖以及生产含有结晶乳糖的乳清粉。

5.冷冻处理引起的乳的变化

牛乳在-0.54℃时凝固，浓缩乳的凝固点更低。牛乳中冰晶形成时，牛乳被浓缩，进一步降低了凝固点。当温度越低时，凝固的水分也就越多，同时被凝固溶液的浓度就越高。如果湿空气、溶液和冰三相达到了平衡，那么水分活度仅仅是温度的函数，这是因为在恒定的压力下，冰的水蒸气分压仅仅是温度的函数。-8℃时冷冻脱脂牛乳液体中总固形物的含量为53％，相当于R*=12。冷冻相当于对牛乳进行了一次超滤，但其pH值比普通脱脂乳经超滤后高一个单位，离子强度提高了10倍，钙离子的活性明显增加，酪蛋白胶束中磷酸钙的量也增多了。当温度继续降低，磷酸钙和其他物质开始沉淀。

乳糖使整个体系变得更加复杂。图2-39描述体系平衡时的条件，但由于乳糖非常容易达到饱和状态，所以很难保持平衡。在-2℃时，如果牛奶被快速冷冻到-23℃，乳糖就不会结晶，这是因为乳糖以高浓度的溶解状态存在于溶液中阻止水分凝固，从而导致凝固点的进一步降低。如果在冷冻后温度上升，或货车冷冻过程行得比较缓慢，大部分乳糖会结晶出来。这一现象在冷冻炼乳中经常发生。此时更多的冰晶形成了，盐的浓度也变得更高。

在冷冻牛乳中，由于温度（<20℃）和水分活度很低，抑制了微生物的生长和酶的反应。此时大多数化学反应的速率降得很低，但是脂肪的自动氧化仍然会发生。冷冻常引起蛋白质沉淀，牛乳解冻过程中，酪蛋白胶束产生凝聚。冷冻过程本身并不引起蛋白质的絮凝，但是由于盐浓度升高使酪蛋白发生了盐析，由于这种过程是不可逆的，所以再分散的过程非常缓慢。在氢离子浓度和盐浓度较高的情况下，钙离子的活性比较高，作为溶剂的水就非常难以被冻结。乳糖的结晶会导致酪蛋白的絮凝，乳糖保持无定形态有助于酪蛋白的稳定，因此，冷冻的速度必须很快，并且使温度保持在20℃以下。添加糖类如蔗糖，可以保持溶液的稳定，因为蔗糖能够降低盐浓度。这是因为在一定的水分活度下，蔗糖的量越高，水的含量也就越高（冰的含量少），从而使盐和水的比例降低。同样的道理，在冷冻前乳糖的水解能够提高蛋白质的稳定性，预热过程中，如果乳清蛋白被加热变性到一定程度，就会引起其稳定性的降低，这时乳清蛋白对钙离子的敏感性增加，开始沉淀。

冷冻引起未凝结溶液浓度黏度提高，扩散系数降低。在深度冷冻（-30℃）时，牛乳完全变成了固体，这样在溶液中分子的迁移是不可能发生的。在脱脂乳的冷冻过程中会发生分层现象，当温度达到最低时形成冰晶，在溶液中形成了浓缩的液体。这种结晶分层和浓缩现象可以应用于牛乳的浓缩分离，可以将晶体从浓缩乳中分离出来，但由于在晶体中也会有一些干物质，因此，这种方法并不十分经济。脂肪的含量比较高和脂肪族的直径比较小时，分层现象不严重，而且均质后的稀奶油可以将冷冻浓缩液变为一个均相体系。冷冻对脂肪球起到了物理性破坏作用，当温度越低冰晶体越大，脂肪球受到破坏也就越大，所以在融化过程中会引起脂肪块形成。如果均质过的牛乳被快速冷冻，脂肪依然能够保持乳化的状态，但是稀奶油在冷冻过程中一般都会导致脂肪稳定性降低。