膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用摘要：介紹了膜分離技術(shù)的原理和特點，以及膜分離技術(shù)在國內(nèi)外食品工業(yè)領(lǐng)域中的發(fā)展以及膜分離技術(shù)在油脂工業(yè)、釀酒行業(yè)、飲料工業(yè)和乳制品中的應(yīng)用。并對膜技術(shù)在食品工業(yè)中的發(fā)展前景作了展望。關(guān)鍵詞：膜分離，食品工業(yè)，微濾，超濾，納濾，反滲透，應(yīng)用，膜材料，膜過程膜是具有選擇性分離功能的材料。利用膜的選擇性分離實現(xiàn)料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過程稱作膜分離。它與傳統(tǒng)過濾的不同在于，膜可以在分子范圍內(nèi)進(jìn)行分離，并且這過程是一種物理過程，不需發(fā)生相的變化和添加助劑。膜的孔徑一般為微米級，依據(jù)其孔徑的不同，可將膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜；根據(jù)材料的不同，可分為無機膜和有機膜。無機膜主要還只有微濾級別的膜，主要是陶瓷膜和金屬膜。有機膜是由高分子材料做成的，如醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。膜分離是在20世紀(jì)初出現(xiàn)，在20世紀(jì)60年代后迅速崛起的一門分離新技術(shù)。膜分離技術(shù)兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節(jié)能、環(huán)保、分子級過濾及過濾過程簡單、易于控制等特征，因此，目前已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生物、環(huán)保、化工、冶金、能源、石油、水處理、電子、仿生等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，已成為當(dāng)今分離科學(xué)中最重要的手段之一。下面介紹一下幾種常見的膜分離過程：1、 微濾（MF）又稱微孔過濾，它屬于精密過濾，其基本原理是篩孔分離過程。微濾膜的材質(zhì)分為有機和無機兩大類，有機聚合物有醋酸纖維素、聚丙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。無機膜材料有陶瓷和金屬等。鑒于微孔濾膜的分離特征，微孔濾膜的應(yīng)用范圍主要是從氣相和液相中截留微粒、細(xì)菌以及其他污染物，以達(dá)到凈化、分離、濃縮的目的。對于微濾而言，膜的截留特性是以膜的孔徑來表征，通?？讖椒秶?0.1?1微米，故微濾膜能對大直徑的菌體、懸浮固體等進(jìn)行分離?？勺鳛橐话懔弦旱某吻?、保安過濾、空氣除菌。鑒于微孔濾膜的分離特征，微孔濾膜的應(yīng)用范圍主要是從氣相和液相中截留微粒、細(xì)菌以及其他污染物，以達(dá)到凈化、分離、濃縮的目的。具體涉及領(lǐng)域主要有：醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)（明膠、葡萄酒、白酒、果汁、牛奶等）、高純水、城市污水、工業(yè)廢水、飲用水、生物技術(shù)、生物發(fā)酵等。2、 超濾（UF）是介于微濾和納濾之間的一種膜過程，膜孔徑在0.05um至1000um分子量之間。超濾是一種能夠?qū)⑷芤哼M(jìn)行凈化、分離、濃縮的膜分離技術(shù)，超濾過程通常可以理解成與膜孔徑大小相關(guān)的篩分過程。以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動力，以超濾膜為過濾介質(zhì)，在一定的壓力下，當(dāng)水流過膜表面時，只允許水及比膜孔徑小的小分子物質(zhì)通過，達(dá)到溶液的凈化、分離、濃縮的目的。對于超濾而言，膜的截留特性是以對標(biāo)準(zhǔn)有機物的截留分子量來表征，通常截留分子量范圍在1000?300000，故超濾膜能對大分子有機物（如蛋白質(zhì)、細(xì)菌）、膠體、懸浮固體等進(jìn)行分離，廣泛應(yīng)用于料液的澄清、大分子有機物的分離純化、除熱源。早期的工業(yè)超濾應(yīng)用于廢水和污水處理。三十多年來，隨著超濾技術(shù)的發(fā)展，如今超濾技術(shù)已經(jīng)涉及食品加工、飲料工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、生物制劑、中藥制劑、臨床醫(yī)學(xué)、印染廢水、食品工業(yè)廢水處理、資源回收、環(huán)境工程等眾多領(lǐng)域。3、納濾（NF）是介于超濾與反滲透之間的一種膜分離技術(shù)， 其截留分子量在80?1000的范圍內(nèi)，孔徑為幾納米，因此稱納濾?；诩{濾分離技術(shù)的優(yōu)越特性，其在制藥、生物化工、食品工業(yè)等諸多領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。對于納濾而言，膜的截留特性是以對標(biāo)準(zhǔn)NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率來表征，通常截留率范圍在60?90%，相應(yīng)截留分子量范圍在100?1000，故納濾膜能對小分子有機物等與水、無機鹽進(jìn)行分離，實現(xiàn)脫鹽與濃縮的同時進(jìn)行。納濾的主要應(yīng)用領(lǐng)域涉及：食品工業(yè)、植物深加工、飲料工業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品深加工、生物醫(yī)藥、生物發(fā)酵、精細(xì)化工、環(huán)保工業(yè)。4、反滲透（RO）是利用反滲透膜只能透過溶劑（通常是水）而截留離子物質(zhì)或小分子物質(zhì)的選擇透過性，以膜兩側(cè)靜壓為推動力，而實現(xiàn)的對液體混合物分離的膜過程。反滲透是膜分離技術(shù)的一個重要組成部分，因具有產(chǎn)水水質(zhì)高、運行成本低、無污染、操作方便運行可靠等諸多優(yōu)點，而成為海水和苦咸水淡化，以及純水制備的最節(jié)能、最簡便的技術(shù).目前已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、電子、化工、食品、海水淡化等諸多行業(yè)。反滲透技術(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)中首選的水處理技術(shù)。反滲透的截留對象是所有的離子，僅讓水透過膜，對 NaCl的截留率在98%以上，出水為無離子水。反滲透法能夠去除可溶性的金屬鹽、有機物、細(xì)菌、膠體粒子、發(fā)熱物質(zhì)，也即能截留所有的離子，在生產(chǎn)純凈水、軟化水、無離子水、產(chǎn)品濃縮、廢水處理方面反滲透膜已經(jīng)應(yīng)用廣泛。由于反滲透分離技術(shù)的先進(jìn)、高效和節(jié)能的特點，在國民經(jīng)濟各個部門都得到了廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用于水處理和熱敏感性物質(zhì)的濃縮，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下：食品工業(yè)、牛奶工業(yè)、飲料工業(yè)、植物（農(nóng)產(chǎn)品）深加工、生物醫(yī)藥、生物發(fā)酵、制備飲用水、純水、超純水、海水、苦咸水淡化、電力、電子、半導(dǎo)體工業(yè)用水、醫(yī)藥行業(yè)工藝用水、制劑用水、注射用水、無菌無熱源純水、食品飲料工業(yè)、化工及其它工業(yè)的工藝用水、鍋爐用水、洗滌用水及冷卻用水。接下來，我主要談?wù)勀し蛛x技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用。膜分離技術(shù)用于食品工業(yè)始于20世紀(jì)60年代末。首先是從乳品加工和啤酒無菌過濾開始的，隨后逐漸用于果汁、飲料加工、酒類精制、酶工業(yè)等方面。我國在膜分離用于食品加工的開發(fā)方面相對比較滯緩，多年來基本上僅停留在某些酶制劑的生產(chǎn)上。直至 20世紀(jì)90年代初，我國食品生產(chǎn)廠才開始對膜分離重視。近年來，膜分離的應(yīng)用較快，特別在飲料行業(yè)，發(fā)展很迅速。膜分離與傳統(tǒng)的食品工業(yè)中的加工技術(shù)相比有以下三個特點：1、節(jié)能食品工業(yè)中傳統(tǒng)的脫水方法是蒸發(fā)，先加熱把水變成蒸汽。水從液相變成氣相需要吸收大量的熱。用膜分離方法脫水，沒有這個相變過程，所以能量消耗就大大降低了。2、能做到最大限度保留原有的營養(yǎng)成分 在食品加熱蒸發(fā)過程中，由于溫度升高，很多不耐熱的營養(yǎng)成分被破壞，而膜分離在常溫下進(jìn)行脫水，可以把食品中的營養(yǎng)成分全部或大部分保留下來，基本上做到原汁原味。這樣加工出來的產(chǎn)品可以提高質(zhì)量檔次，使產(chǎn)品升值。3、可以簡化工藝流程和操作步驟 傳統(tǒng)的飲料生產(chǎn)是用巴氏殺菌和添加化學(xué)防腐劑的方法來使產(chǎn)品達(dá)到食品衛(wèi)生要求的。用微濾膜技術(shù)可以代替巴氏殺菌和化學(xué)防腐劑。傳統(tǒng)的果汁澄清先是在反應(yīng)缸中加酶處理，然后過濾或離心分離，所需時間長，占地面積大，成本高。若用超濾技術(shù)澄清果汁，可以減少反應(yīng)缸、泵、壓縮機、離心機等設(shè)備，節(jié)省硅藻土或其他助濾劑和酶制劑，降低操作費用和人工費用，并可以提高果汁產(chǎn)量和減少廢渣。因此，它可以同時起到降低生產(chǎn)成本和增加產(chǎn)量的作用。近幾年，膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，下面列舉一些膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用實例。1、膜分離技術(shù)在大豆食品加工中的應(yīng)用超濾技術(shù)具有無相變、能耗低、工藝設(shè)備簡單，操作方便可靠，分離效果好等優(yōu)越性，所以近年來在飲料、乳品、大豆分離蛋白等生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛。利用超濾技術(shù)生產(chǎn)大豆分離蛋白可從根本上改變傳統(tǒng)的堿溶酸沉水洗法，可以大幅度提高產(chǎn)品品質(zhì)，大豆蛋白分子量較大，分子量在20000以上的占95%以上，有利于采用膜分離技術(shù)，在實際中，超濾膜的分子截留量為20000，膜型選擇管式超濾膜，將大豆蛋白液的pH值調(diào)整到距離等電點較遠(yuǎn)的pH值7?9/處，同時適當(dāng)?shù)靥岣吡弦旱臏囟纫越档驼扯?，提高擴散系數(shù)，在實際操作中要加大膜面料液的流速，使之處于湍流狀態(tài)，以防止膜表面的濃差暢化現(xiàn)象和凝膠的形式，這樣就可以在沒有相變的條件下分離提純和濃縮大豆分離蛋白，有效地避免傳統(tǒng)工藝中酸堿調(diào)節(jié)過程反復(fù)變性的鹽分增多，大大提高蛋白純度（可達(dá)）2%）和降低灰分含量（＜4.0%）。此外還可利用超濾膜技術(shù)對大豆乳清液和生產(chǎn)豆腐的副產(chǎn)品黃漿水進(jìn)行合理回收利用，不僅可回收乳清蛋白和大豆低聚糖，還可避免環(huán)境污染。美國中央大豆公司對大豆乳清采用超濾處理，將濃度為1.36%、451kg大豆乳清液濃縮15倍變成12.7kg濃度為12%乳清濃縮物（主要成分為低聚糖），由于透過液中仍含有相當(dāng)數(shù)量可溶性固形物，因此可進(jìn)行反滲透處理。2、膜分離技術(shù)在油脂加工中的應(yīng)用將超濾技術(shù)應(yīng)用于油的脫膠、膠色工序，可使脫膠和脫色合二為一，省去了傳統(tǒng)工藝中的許多工序，使得油的得率大為提高。還可降低脫色的白土用量和處理廢白土費用，及減少脫色白土所吸收中性油脂的損失。采用膜分離另一好處能便于油脂脫酸采用物理精煉工藝，而物理精煉比常規(guī)的堿煉有如下優(yōu)越性：設(shè)備投資低22%，蒸汽消耗低28%，冷卻水耗低7%，工藝過程補充水低85%，廢水處理量低65%，電耗低62%，精煉損耗低60%。另外，在油脂副產(chǎn)品的加工中，用膜分離技術(shù)從植物油中直接制備磷脂，不僅省去精煉工藝中脫膠用水和離心機的使用，而且還可省去投資較大的旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)器，得到的產(chǎn)品品質(zhì)可以和傳統(tǒng)方法制備的產(chǎn)品媲美。由此看來，膜分離技術(shù)應(yīng)用于油脂業(yè)對于簡化工藝，節(jié)約能耗，減少損失等方面潛力巨大。雖然膜分離技術(shù)應(yīng)用于糧油食品領(lǐng)域是令人興奮和神往的，但若要膜分離技術(shù)特別是讓超濾技術(shù)走向成熟，真正能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，則在工業(yè)化的過程中還尚需解決以下幾個問題：（1）濃度因素；（2）濃差極化因素；（3）實際生產(chǎn)中料液中的其他微小顆粒影響等。只有徹底地解決這些問題，才能使膜分離技術(shù)更好的應(yīng)用到生產(chǎn)當(dāng)中，為提高產(chǎn)品技術(shù)含量，促進(jìn)我國糧油食品的升級換代發(fā)揮其更大貢獻(xiàn)。3、膜分離技術(shù)在果汁的澄清與濃縮中的應(yīng)用膜分離用于果汁的澄清與濃縮是研究得相當(dāng)多的課題，國內(nèi)外許多學(xué)者對此作出了不少貢獻(xiàn)。1977年，Heatherbell等就甩膜分離法生產(chǎn)出了穩(wěn)定澄清的蘋果汁。1983年D.EKirk等對梨汁也進(jìn)行膜分離的償試，并取得成功.Wilson等第一次探討了超濾法生產(chǎn)獼猴槐汁并回收蛋白酶。1987年威大存等對超濾法加工中華獼猴桃清汁及回收蛋白酶也進(jìn)行了研究口。結(jié)果表明，使用分子量截留值為1萬的醋酸纖維膜（CA膜）的平板式超濾器，N2氣加壓處理果汁，Vc保持率高達(dá)98%蛋白酶回收率91%,酶活力90%，蛋白質(zhì)截留率95%?？傮w效果比管式超濾器好。對于熱帶水果西著蓮汁的膜分離濃縮，張?zhí)陫^等進(jìn)行了研究。試驗采用丹麥DDS公司的ROLAB-Unit20—0.72反滲透系統(tǒng)，配HR95、HR98型半透膜。在19°C一3s°C，30Par—60Par條件下，果汁從1LBx濃縮至29°Bx，物料溫度上升23C，透水速率110L/m2?hr，透過液可溶性固形物幾乎為零，反滲透效果非常理想。焦必林等和意大意Calabro大學(xué)化學(xué)系合作.用中空纖維超濾膜澄清橙汁伽。半透膜為聚丙烯微孔超濾膜。最佳操作條件溫度36C，壓力1.35bar，進(jìn)料速度5L/min。產(chǎn)品Vc保存率90%，礦物質(zhì)保存率81%，固酸比91%，風(fēng)味似原汁（略淡），劉玉達(dá)使用國產(chǎn)s—1型外壓管式超濾膜組件，三種不同的膜對靠橙汁的濃縮進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，PAN5萬膜透水率最大。產(chǎn)品多數(shù)營養(yǎng)成分保留率90%以上。風(fēng)味物質(zhì)保留率70-80%。Ca、Mg、P等保留率70%以上。酸堿交替湍流沖洗膜面，可使透水率保持在90%以上。4、 膜分離技術(shù)在乳清蛋白質(zhì)的分離的應(yīng)用大豆加工過程中t乳清蛋白常隨廢水一道流失，既損失了營養(yǎng)物質(zhì)，又污染了環(huán)境。1983年，大矢晴彥等曾用多種膜對大豆乳清蛋白的分離性能作了評價性試驗。陳壽鵬也對大豆乳清蛋白的分離進(jìn)行研究，試驗采用PS—1萬超濾膜。工藝上高速離心予沉降結(jié)合循環(huán)超濾濃縮。能耗及操作費用低，可長期運行。管式超濾膜組件，可作工業(yè)首選設(shè)備。PS—1萬超濾膜，載留分子量恰當(dāng)，膜電荷適合大豆乳清蛋白的分離。在優(yōu)化操作條件下，乳清蛋白截留率N9O%，濃輔倍數(shù)N5。透水速率約為1.5L/m2-hr，濃縮液蛋白含量N2%。可直接作為酵母培養(yǎng)液。最近又報導(dǎo)了郭本恒等進(jìn)行的超濾分離初乳乳清蛋白的研究。試驗選用了不同孔經(jīng)的超濾膜，井以純蛋白質(zhì)的分離作為對照體系。試驗結(jié)果；3、5、1。萬膜對1gG、BSA、Lp、Lf等蛋白完全截；對a—LaP—Lg蛋白有一定截留作用。同一種膜，B—Lg截留遠(yuǎn)高于a—La蛋白。對純的a-La、B-Lg蛋白，初乳截留率明顯偏低。膜分離技術(shù)在制酒業(yè)中的應(yīng)用（1） 生啤酒的過濾采用膜分離技術(shù)在常溫下即可把啤酒中的殘留酵母菌和污染菌除去，因此，在啤酒生產(chǎn)的下游處理上可用來代替高溫瞬時滅菌或巴氏滅菌法，以保持生啤酒原有的風(fēng)味。另外，從經(jīng)濟角度來看，微濾的運行費用接近甚至低于高溫瞬時滅菌和巴氏滅菌。其目的是：（1）除去混濁懸浮物，主要是酒花樹脂、單寧和蛋白質(zhì)等；（2）除去酵母菌和乳酸菌等微生物；（3）口味的改善和透明度的提高。目前，國內(nèi)啤酒廠的生啤過濾工藝多是在硅藻土過濾或板框過濾之后，先采用孔徑為1^m的濾芯（可以是超細(xì)聚丙烯纖維濾層），再通過孔徑為）.22rm或0.45rm的膜復(fù)合濾芯（一般采用耐酸堿的聚偏氟乙烯微濾膜、聚砜類膜或耐強堿的尼龍膜，也可以是纖維素類膜等）。由于采用兩層不同孔徑的膜復(fù)合而成的濾芯，其外層膜可濾去顆粒較大的膠體及酵母菌，減輕后層膜的負(fù)擔(dān)，從而提高了啤酒過濾的質(zhì)量和數(shù)量。（2） 白酒的過濾采用0.45rm或0.65rm級微濾膜過濾的白酒產(chǎn)品（如瓶裝酒）在存放時不受微生物污染。0.45rm級膜基本能夠去除所有的有機物，但費用較高，因為它比0.65rm微濾膜或孔徑更大的膜堵塞更快，同時，小孔徑的膜可去除微米級膠體物質(zhì)，這些物質(zhì)在確定酒的氣味時很重要。因此，究竟是選擇0.45rm還是0.65rma徑的膜，取決于保證微生物去除和經(jīng)濟性之間的平衡。葡萄酒的澄清過濾采用膜技術(shù)改造后的葡萄酒制作工藝如下：葡萄一軋碎一壓榨一葡萄汁一超濾澄清一發(fā)酵一微濾f陳放f超濾f裝瓶。超濾主要用于發(fā)酵前澄清葡萄汁及發(fā)酵后過濾已陳放準(zhǔn)備裝瓶的酒液，而微濾用于酵母菌的去除。采用超濾處理葡萄汁可以去除膠體、大分子鞣酸、多糖、雜蛋白、懸浮物固體、多酚及其它無用的微生物。采用超濾可改善葡萄酒的穩(wěn)定性。葡萄酒渾濁是由不穩(wěn)定蛋白或在酸性條件下不溶性蛋白所引起的。傳統(tǒng)的方法是采用硅藻土過濾去除，但是，這將損失部分風(fēng)味物質(zhì)，而超濾不僅可去除這些蛋白而且可以最大限度地減少口味的損失。多酚賦予葡萄酒顏色及微妙復(fù)雜的口感，過量的多酚會產(chǎn)生苦澀。通常加入明膠去除多余的多酚，而且明膠與多酚形成一種多酚一蛋白復(fù)合物，它需要通過過濾將其除掉。超濾可以降