根据美国农业部(U.S. Department of Agriculture)的数据，奶酪的消费量近年来大幅上升，预计还将继续增长。该研究报告称，奶酪生产大约占乳制品行业废弃物总量的83%。这种对环境的危害，以及快速增长的人口对可持续粮食系统的需求，激发了伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学和生物分子工程教授苏晓(Xiao Su)使用先进的电化学技术来应对这一挑战。

研究人员说，在这项研究中引入的海水淡化过程使用的能源减少了73%，运行成本仅为传统海水淡化系统的62%。这项研究由伊利诺伊州研究生金纳英(Nayeong Kim)领导，研究结果发表在《化学工程杂志》上。

苏教授说:“尽管过量的乳清会造成一些环境污染问题，但食品行业也认识到它是一种宝贵的营养来源。”“通过以可持续的方式对乳清废物中的高浓度盐进行脱盐，我们可以消除与乳制品加工相关的一种环境危害，同时解锁乳清废物中发现的宝贵蛋白质资源。”

苏和他的团队通过引入一种化学氧化还原耦合透析系统来应对这一挑战——这种设备与电池没有太大区别。该方法包括乳清废物和电极的两个独立可控通道，由一对离子交换膜隔开。苏教授说，这个过程可以通过可逆的氧化还原反应持续淡化海水。

“我们的系统可以在没有蛋白质聚集或变性风险的情况下恢复宝贵的乳清蛋白，”Kim说。此外，氧化还原物质的分子尺寸比膜孔的尺寸大，这意味着它不会穿过膜污染纯化的蛋白质。我相信氧化还原介导的电渗析系统可以通过解决环境和营养危机来彻底改变食品行业。”

在蛋白质纯化过程中，带正电的钠离子从饲料移动到氧化还原通道，并在负极处化学还原。当还原离子在正极被氧化时，带负电荷的氯离子移动到氧化还原通道，导致氧化还原电偶的可持续再生。研究报告称，氧化还原通道可以通过将去除的离子释放到进料通道来维持电解液浓度，回收的氯化钠可以用于调味奶酪，使其成为净零废物处理过程。

“值得注意的是，蛋白质纯化和盐回收的性能在多个循环中都能保持，显示出了出色的稳定性和可循环性，”苏说。“总的来说，我们的氧化还原电化学过程为从乳制品生产废料中回收有价值的蛋白质提供了一个可持续的电气化平台，并设想在未来与可再生电力相结合。我们希望这将是研究可持续食品制造的开始。”

Journal Reference:

1. Nayeong Kim, Jemin Jeon, Johannes Elbert, Choonsoo Kim, Xiao Su. Redox-mediated electrochemical desalination for waste valorization in dairy production. Chemical Engineering Journal, 2022; 428: 131082 DOI: 10.1016/j.cej.2021.131082