纯化分离-食品工业中的膜分离技术应用

膜分离技术在食品工业中的应用

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引言

膜技术是一种绿色高效的可起到分离、富集、浓缩及纯化作用的技术，它以高分子分离膜为典型代表，是一种新型的流体分离单元操作技术。虽然该技术在20至30年代已取得很大发展，但一直到60年代反渗透分离技术被成功地运用到海水脱盐及废水处理时，膜技术才真正得到应用。由于膜技术具有诸多优点[1]，比如说浓缩时不会发生相变，因此不需要蒸发器或冷冻设备，节约能源，投资成本低。有由于在分离过程中不需加热，容易保持食品某些原有的风味和营养功效，因此，随着食品工业的不断发展，膜技术在食品领域的应用越来越广泛。

1 膜分离的基本原理

当选择透过性膜的两侧存在某种或某几种推动力时，比如浓度差、压力差、电位差、温度差等时，原料两侧的组分可以选择透过性地透过膜，从而达到分离纯化的目的。分离膜能够使得混在一起的物质分开，主要是通过以下两种机理：

(1)物理性质不同：根据被分离物质的质量、体积大小、几何形态差异，用过筛的办法将其分离。

(2)化学性质不同：根据被分离物质通过分离膜的总速度的差异进行分离。总速度取决于两个步骤，一是从膜表面接触的混合物中进入膜内的速度（溶解速度），其次是进入膜内后从膜的表面扩散到膜的另一表面的速度。若总速度越大，透过膜所需时间越短；总速度越小，则透过时间越长。

2 分离膜应具备的条件

(1) 分离性：分离膜必须对被分离混合物具有选择透过能力，也即具有分离能力。分离的能力要适度，由于膜的分离性能和透过性能相互关联，若分离性能高，就必须牺牲一部分透过量，所以并非越大越好。膜的分离能力主要取决于膜材料的化学特性和分离膜的形态结构，但也与膜分离过程的一些操作条件有关。

(2) 透过性：对被分离的混合物能够进行有选择地透过是最基本的条件。也就是说被除去的物质透过速度越低，通过的物质速度越快则越好，二者的速度之比即为分离效率。而分离膜的透过性能即为其处理能力的主要标志。在达到所需分离率之后，分离膜的透过量越大越好，因为它将增强膜的处理能力，降低运行成本。

(3) 物理、化学稳定性：分离膜的物理化学稳定性质主要由膜材料的化学特性决定，包括其耐热、酸、碱性；抗微生物分解性、抗氧化性；亲水性、疏水性、电性能、毒性、机械强度等。目前所使用的分离膜大多以高聚膜为膜材料，易发生由于形成高聚物长链大分子的解体而引起的膜高聚物的“老化”。此外，膜在使用过程中可能会由于被接触物质中的杂质污染，而减少膜的有效使用面积，或者被某些污染物破坏其高聚物的结构。但由于污染造成的膜性能的衰退大多可以通过清洗的方法使其基本恢复。

(4) 经济性：分离膜的价格取决于膜材料和制造工艺两个方面，不能过高，否则生产上无法采用。

3 膜分离技术应用于食品工业中的优势

(1) 不需要加热即可达分离浓缩的目的，能耗少。可用于不可受热食品的生产，由于膜分离过程常在常温下发生，所以热敏性物质采取此法处理后，其色泽、香气、风味的变化、损失均较少。而且，又由于膜分离过程一般是在闭合回路中进行，所以也可尽量避免氧气对食品的氧化作用。

(2) 操作工艺较为简单，只需对被分离物质进行加压、输送、反复循环等工序，过程简单易于控制，设备占地面积小，易于维修，且在实际生产中，可以通过增加膜组件提高产量。

(3) 膜分离技术在不发生相变和不适用第三种化学试剂的条件下，就可将相对分子量不同的物质分开，与抽提法、吸附法相较而言，其分离范围较广。此外，膜分离还适用于许多特殊溶液的分离，如溶液中的无机盐和分子，一些共沸物或近沸点物系的分离。

4 膜分离的主要方法

主要的膜分离方法及其基本特征如下表所示：

5 膜分离技术在食品工业中的应用

5.1 膜分离技术在饮料制造中的应用

5.1.1 含酒精饮料的加工

采用超滤技术可除去酒中含有的不溶性蛋白、多糖、胶体和细菌等，从而达到提高酒的澄清度，保持酒的色、香、味，同时无热除菌的目的。

(1)啤酒酿造

反渗透法生产低度啤酒。首先将啤酒经反渗透浓缩，由于膜对酒精的截留能力差，一定量的透过液一起被分离出来，然后用不含酒精的溶液（如无菌水）稀释浓缩液，这样就降低了啤酒的酒精度，另外使用电渗析和离子交换树脂联合装置，可除去水中细菌，病毒，残留农药等，净化啤酒酿造用水。

(2)低度白酒、日本清酒等的澄清

黄酒保质期较短主要是因为产生沉淀严重影响产品感官质量和商品价值，因此，黄酒的沉淀

问题受到泛关注。用膜技术对生黄酒除杂和澄清处理[2]，可不损害黄酒的原有风味，在常温下有效去除细菌、酶以及其他悬浮物，获得味道丰满圆润的黄酒。国内已有有机超滤膜澄清黄酒研究，但有机膜存在膜易被污染，膜通量低，清洗困难等缺点。20世纪90年代以后，无机陶瓷膜以其优越的性能广泛应用于食品与发酵领域取得了良好的效果。

5.1.2 非酒精饮料的加工

采用超滤澄清法，可将果蔬汁中的蛋白质、淀粉、果胶以及一些悬浮颗粒全部除去，同时还可除去部分杂菌，而其风味物质、糖和维生素等可得以保留。如: 橙汁、苹果汁、猕猴桃汁的超滤澄清；采用反渗透浓缩法进行橙汁、蕃茄汁的浓缩；超滤净化饮料用水和矿泉水；反渗透浓缩生产速溶咖啡等。

(1) 茶饮料

绿茶种茶多酚抗癌，益健康，目前茶饮料很流行。生产中茶水的多酚类物质和水溶蛋白质等络合物形成絮状沉淀，茶多酚在生产中富集问题一直是技术难点。选用不同的超滤膜可调节茶饮料中茶多酚和固形物含量，改善其凝絮，沉淀现象；若提取茶多酚，选用不同的超滤膜又可以从茶中分离出大分子蛋白质和果胶类物质，减少茶多酚与其络合物。生成的富集茶多酚[3]，改善溶液萃取性质。罗龙新等人分别用EC蒸发）；UF（超滤）+RO（反渗透）；UF（超滤）+EC（蒸发）；RO（反渗透）四个工艺对绿茶、红茶、乌龙茶汁进行浓缩实验，得出UF+RO，RO这两种工艺对保留化学成分和香味品质最佳；UF+RO，UF+EC这两种工艺对从茶汁中取出蛋白质，果胶的效果及茶汁的澄清度最佳。因而得出UF+RO这种工艺为茶汁浓缩的最佳工艺。

另外，茶饮料的主要包装方式为透明PET瓶装，对混浊沉淀要求高。尹军峰等人采用最简捷的平板超滤膜系统对绿茶饮料进行膜分离研究，提供了参数和依据。通过膜分离处理的茶饮料和茶叶功能性成分提取物均对儿茶素有较高保留。膜分离工艺制品具有较高的抗氧化活性。

5.2 膜分离技术在蛋白质生产上的应用

5.2.1 植物蛋白的分离

利用膜分离技术对植物蛋白进行浓缩、提纯和分离。如: 采用超滤和反渗透相结合的方法，进行大豆乳清的分离回收[4]；对大豆分离蛋白过程中产生的乳清经超滤→一级钠滤→二级钠滤→反渗透得到回收物质，变废为宝；采用超滤和反渗透技术处理花生，可将花生蛋白和花生油全部提取且无废料；采用高速沉降预处理与循环超滤相结合的方式可对大豆乳清蛋白进行浓缩分离；采用超滤法从菜籽粕中制取菜籽浓缩蛋白和分离蛋白[5]。又比如，天然存在的GABA含量很低，故一般工业上用发酵法生产GABA是获得高浓度和高纯度GABA的重要途径[6]。发酵产物成分复杂，其中悬浮颗粒，油乳滴和胶状颗粒等一般用沉降，过滤，离心分离，而对各大小不同的分子如蛋白质，糖类，氨基酸，无机离子等，工业上因膜分离技术操作条件温和，能耗低，成为分离此类体系的理想方法[7]。

5.2.2 乳品工业

农场采用反渗透就地对牛奶进行预浓缩后加工成炼乳等制品[8]；制造干酪前用超滤对牛奶进行组分分离；电渗析除乳清灰分；利用膜生物反应器将乳糖转化为产成品(例如乳胶)。

5.2.3 卵蛋白的浓缩

采用膜分离技术和喷雾干燥组合的生产工艺，可有效除去卵蛋白中引起变色的葡萄糖和无机盐分子[9]；采用超滤法可浓缩全蛋。

5.2.4 动物血浆的浓缩

采用超滤技术，以板框式超滤装置来浓缩动物全血，目前已可将其干物质含量从18%～21% 提高到28%～30%。

5.2.5 明胶的浓缩和提纯

动物的骨胳和肌肉组织中含有明胶，采用超滤法目前可将明胶浓缩到固形物含量达15%。

5.3 膜分离技术在处理淀粉废水中的应用

采用超滤法可从马铃薯淀粉废水中回收蛋白质，该方法采用醋酸纤维素管式膜，在蛋白质的凝固点下进行超滤运转，同时以含酶洗剂对膜进行清洗。

5.4 膜分离技术在制糖工业中的应用

采用反渗透法可对甜菜制糖厂的稀糖汁进行浓缩、处理含糖废水，既可将水回收再利用，又能提高原料利用率；采用超滤法可进行糖汁的净化，得到含糖量很高的清澈透过液及富含蛋白质和果胶的浓缩液。

5.5 膜分离技术在食用油加工中的应用

超滤可用于油脂的脱胶精炼和脱色、回收油料种籽蛋白；反渗透可用于处理油厂锅炉用水、从废水中回收油脂、回收催化剂；超滤和反渗透相结合可用于回收溶剂。比如，针对大豆油脂加工传统工艺中不足，将膜分离技术应用于大豆油脂精炼及其乳清废水的治理中[10]。新旧工艺对比，对膜的选择，运行及工艺等进行研究探讨，对膜除杂，分离磷脂胶束，纯化低聚糖等工序进行研究，获得切实可行的工业化膜运行参数。实现将膜分离技术应用于大豆油脂精炼及其乳清废水的治理中。提高了精炼油，分离蛋白的品质，杜绝碱炼废水产生，改善乳清废水达标排放，同时得到高品质大豆磷脂，溶血磷脂及副产物大豆低聚糖等，为大豆精深加工膜技术产业化奠定了基础。

5.6 膜分离技术在食品添加剂生产中的应用

采用超滤与反渗透相结合可生产红曲色素及其他色素，采用超滤膜反应器可连续生产环糊精；采用YM 内压管式超滤装置对甜叶菊苷水处理液进行净化处理，采用PVC 膜管式超滤器进行明胶浓缩。

6 结束语

膜分离作为一种新型的分离单元操作过程，在技术进步、产品结构调整、节省能耗及污染治理方面日益显示出其强大的生命力和竞争能力。但目前膜技术的发展受到了几个方面的制约，一是膜产品的价格，二是膜污染[11]，再有就是膜分离性能的提高。如果在这几方面的问题能更好的解决的话，则膜分离技术将会在国民经济中发挥更为重要的作用。可以预见21世纪的膜技术将在同其他各学科交叉结合的基础上，形成一门比较完整系统的学科。它将在人类社会的发展史上起到不可替代的重要作用。

参考文献

1 伍小红. 膜分离技术在食品工业中的应用食品研究与开发[J]. 食品研究与开发，2005，26（2）：11-13

2 黄秀锦, 谭佩毅. 陶瓷微滤膜过滤生黄酒的研究[J]. 酿酒科技，2008（10）：57-59

3 王文渊, 黄文光, 唐守勇, 张云兰, 周金彩. 超滤分离竹叶中茶多酚的研究[J].食品工业，2011（4）：39-42

4,10 徐朝辉, 王华周, 蓝剑强. 万端极膜分离技术在大豆精深加工中的应用[J]. 中国油脂，2007，32（2）：82-85

5 易建华, 朱振宝, 赵天殊. 盐提与膜分离偶联制备双低油菜籽蛋白[J]. 食品科技，2011，36（5）：168-176

6 冯骉, 王文纳. 滤技术用于氨基酸溶液的提纯[J]. 食品与生物技术学报，2006，25（4）：5-10

7 王欣欣, 任虹, 曹学丽. 膜分离技术在氨基酸发酵生产中的应用[J]. 中国调味品，2011，36(5)：5-11

8 蒋晖. 新型膜分离技术在现代农牧产品加工中的应用[J]. 农产品加工，2006（7）：70-73

9 刘青松, 王文高, 丁丹华, 李奇璋. 膜分离纯化蛋黄卵磷脂工艺研究[J]. 粮食与油脂，2011（6）：20-23

11 李高阳, 欧阳建勋, 张小卓. 膜分离技术在现代食品工业中的应用[J]. 粮食科技与经济，2001（5）：46-47

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vc71.html