膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應用

膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應用

摘  要：介紹了膜分離技術(shù)的原理和特點(diǎn)，以及膜分離技術(shù)在國內外食品工業(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)和乳制品中的應用。 并對膜技術(shù)在食品工業(yè)中的發(fā)展前景作了展望。

膜是具有選擇性分離功能的材料。利用膜的選擇性分離實(shí)現料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過(guò)程稱(chēng)作膜分離。它與傳統過(guò)濾的不同在于，膜可以在分子范圍內進(jìn)行分離，并且這過(guò)程是一種物理過(guò)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；根據材料的不同，可分為無(wú)機膜和有機膜。無(wú)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世紀初出現，在20世紀60年代后迅速崛起的一門(mén)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、節能、環(huán)保、分子級過(guò)濾及過(guò)濾過(guò)程簡(jiǎn)單、易于控制等特征，因此，目前已廣泛應用于食品、醫藥、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(huì )效益，已成為當今分離科學(xué)中最重要的手段之一。

下面介紹一下幾種常見(jiàn)的膜分離過(guò)程：

1、微濾（MF） 又稱(chēng)微孔過(guò)濾，它屬于精密過(guò)濾，其基本原理是篩孔分離過(guò)程。微濾膜的材質(zhì)分為有機和無(wú)機兩大類(lèi)，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(wú)機膜材料有陶瓷和金屬等。鑒于微孔濾膜的分離特征，微孔濾膜的應用范圍主要是從氣相和液相中截留微粒、細菌以及其他污染物，以達到凈化、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(lái)表征，通?？讖椒秶?/span>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(guò)濾、空氣除菌。

 鑒于微孔濾膜的分離特征，微孔濾膜的應用范圍主要是從氣相和液相中截留微粒、細菌以及其他污染物，以達到凈化、分離、濃縮的目的。

具體涉及領(lǐng)域主要有：醫藥工業(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(guò)程，膜孔徑在0.05um至1000um分子量之間。超濾是一種能夠將溶液進(jìn)行凈化、分離、濃縮的膜分離技術(shù)，超濾過(guò)程通?？梢岳斫獬膳c膜孔徑大小相關(guān)的篩分過(guò)程。以膜兩側的壓力差為驅動(dòng)力，以超濾膜為過(guò)濾介質(zhì)，在一定的壓力下，當水流過(guò)膜表面時(shí)，只允許水及比膜孔徑小的小分子物質(zhì)通過(guò)，達到溶液的凈化、分離、濃縮的目的。

對于超濾而言，膜的截留特性是以對標準有機物的截留分子量來(lái)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)、細菌）、膠體、懸浮固體等進(jìn)行分離，廣泛應用于料液的澄清、大分子有機物的分離純化、除熱源。

早期的工業(yè)超濾應用于廢水和污水處理。三十多年來(lái)，隨著(zhù)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)、醫藥工業(yè)、生物制劑、中藥制劑、臨床醫學(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，孔徑為幾納米，因此稱(chēng)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)域顯示出廣闊的應用前景。

對于納濾而言，膜的截留特性是以對標準NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率來(lái)表征，通常截留率范圍在60～90%，相應截留分子量范圍在100～1000，故納濾膜能對小分子有機物等與水、無(wú)機鹽進(jìn)行分離，實(shí)現脫鹽與濃縮的同時(shí)進(jìn)行。

納濾的主要應用領(lǐng)域涉及：食品工業(yè)、植物深加工、飲料工業(yè)、農產(chǎn)品深加工、生物醫藥、生物發(fā)酵、精細化工、環(huán)保工業(yè)。

4、反滲透（RO） 是利用反滲透膜只能透過(guò)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(guò)性，以膜兩側靜壓為推動(dòng)力，而實(shí)現的對液體混合物分離的膜過(guò)程。反滲透是膜分離技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，因具有產(chǎn)水水質(zhì)高、運行成本低、無(wú)污染、操作方便運行可靠等諸多優(yōu)點(diǎn) ，而成為海水和苦咸水淡化，以及純水制備的最節能、最簡(jiǎn)便的技術(shù).目前已廣泛應用于醫藥、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(guò)膜，對NaCl的截留率在98%以上，出水為無(wú)離子水。反滲透法能夠去除可溶性的金屬鹽、有機物、細菌、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(wú)離子水、產(chǎn)品濃縮、廢水處理方面反滲透膜已經(jīng)應用廣泛。

由于反滲透分離技術(shù)的先進(jìn)、高效和節能的特點(diǎn)，在國民經(jīng)濟各個(gè)部門(mén)都得到了廣泛的應用，主要應用于水處理和熱敏感性物質(zhì)的濃縮，主要應用領(lǐng)域包括以下：食品工業(yè)、牛奶工業(yè)、飲料工業(yè)、植物（農產(chǎn)品）深加工、生物醫藥、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、半導體工業(yè)用水、醫藥行業(yè)工藝用水、制劑用水、注射用水、無(wú)菌無(wú)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(lái)，主要談?wù)?a href="http://www.xiaolingdan.com/img/img.php?class2=80" target="_self" title="鏈接關(guān)鍵詞">膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應用。

膜分離技術(shù)用于食品工業(yè)始于20世紀60年代末。首先是從乳品加工和啤酒無(wú)菌過(guò)濾開(kāi)始的，隨后逐漸用于果汁、飲料加工、酒類(lèi)精制、酶工業(yè)等方面。我國在膜分離用于食品加工的開(kāi)發(fā)方面相對比較滯緩，多年來(lái)基本上僅停留在某些酶制劑的生產(chǎn)上。直至20世紀90年代初，我國食品生產(chǎn)廠(chǎng)才開(kāi)始對膜分離重視。近年來(lái)，膜分離的應用較快，特別在飲料行業(yè)，發(fā)展很迅速。

膜分離與傳統的食品工業(yè)中的加工技術(shù)相比有以下三個(gè)特點(diǎn)：

1、節能    食品工業(yè)中傳統的脫水方法是蒸發(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(méi)有這個(gè)相變過(guò)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(yíng)養成分    在食品加熱蒸發(fā)過(guò)程中，由于溫度升高，很多不耐熱的營(yíng)養成分被破壞，而膜分離在常溫下進(jìn)行脫水，可以把食品中的營(yíng)養成分全部或大部分保留下來(lái)，基本上做到原汁原味。這樣加工出來(lái)的產(chǎn)品可以提高質(zhì)量檔次，使產(chǎn)品升值。

3、可以簡(jiǎn)化工藝流程和操作步驟    傳統的飲料生產(chǎn)是用巴氏殺菌和添加化學(xué)防腐劑的方法來(lái)使產(chǎn)品達到食品衛生要求的。用微濾膜技術(shù)可以代替巴氏殺菌和化學(xué)防腐劑。傳統的果汁澄清先是在反應缸中加酶處理，然后過(guò)濾或離心分離，所需時(shí)間長(cháng)，占地面積大，成本高。若用超濾技術(shù)澄清果汁，可以減少反應缸、泵、壓縮機、離心機等設備，節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(shí)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)中的應用越來(lái)越廣泛，下面列舉一些膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應用實(shí)例。

1、膜分離技術(shù)在大豆食品加工中的應用

超濾技術(shù)具有無(wú)相變、能耗低、工藝設備簡(jiǎn)單，操作方便可靠，分離效果好等優(yōu)越性，所以近年來(lái)在飲料、乳品、大豆分離蛋白等生產(chǎn)中應用越來(lái)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(shí)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值調整到距離等電點(diǎn)較遠的pH值7～9/處，同時(shí)適當地提高料液的溫度以降低粘度，提高擴散系數，在實(shí)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象和凝膠的形式，這樣就可以在沒(méi)有相變的條件下分離提純和濃縮大豆分離蛋白，有效地避免傳統工藝中酸堿調節過(guò)程反復變性的鹽分增多，大大提高蛋白純度（可達92%）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(guò)液中仍含有相當數量可溶性固形物，因此可進(jìn)行反滲透處理。

2、 膜分離技術(shù)在油脂加工中的應用

將超濾技術(shù)應用于油的脫膠、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，而物理精煉比常規的堿煉有如下優(yōu)越性：設備投資低22％，蒸汽消耗低28％，冷卻水耗低7％， 工藝過(guò)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薄膜蒸發(fā)器，得到的產(chǎn)品品質(zhì)可以和傳統方法制備的產(chǎn)品媲美。由此看來(lái)，膜分離技術(shù)應用于油脂業(yè)對于簡(jiǎn)化工藝，節約能耗，減少損失等方面潛力巨大。雖然膜分離技術(shù)應用于糧油食品領(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，真正能應用于工業(yè)生產(chǎn)，則在工業(yè)化的過(guò)程中還尚需解決以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）濃度因素；（2）濃差極化因素；（3）實(shí)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(wèn)題，才能使膜分離技術(shù)更好的應用到生產(chǎn)當中，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。

3 、膜分離技術(shù)在果汁的澄清與濃縮中的應用

膜分離用于果汁的澄清與濃縮是研究得相當多的課題，國內外許多學(xué)者對此作出了不少貢獻。1977年，Heatherbell等就甩膜分離法生產(chǎn)出了穩定澄清的蘋(píng)果汁。1983年D．E Kirk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 。結果表明，使用分子量截留值為1萬(wàn)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98 ％蛋白酶回收率9l% ，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(zhù)蓮汁的膜分離濃縮，張剃奮等進(jìn)行了研究。試驗采用丹麥DDS公司的ROLAB-Unit 20—0．72反滲透系統，配HR95、HR98型半透膜。在l9℃一3s℃，30Par一60Par條件下,果汁從11^。Bx濃縮至29^。Bx，物料溫度上升23℃，透水速率110L／m²·hr，透過(guò)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36℃，壓力1．35bar，進(jìn)料速度5L／mi n。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)，劉玉達使用國產(chǎn)s一1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 。結果表明，PAN5萬(wàn)膜透水率最大。產(chǎn)品多數營(yíng)養成分保留率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)的分離的應用

大豆加工過(guò)程中t乳清蛋白常隨廢水一道流失，既損失了營(yíng)養物質(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(jià)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—l萬(wàn)超濾膜。工藝上高速離心予沉降結合循環(huán)超濾濃縮。能耗及操作費用低，可長(cháng)期運行。管式超濾膜組件，可作工業(yè)首選設備。PS一1萬(wàn)超濾膜，載留分子量恰當，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≥9O％，濃輔倍數≥5。透水速率約為1．5 L／m² ·hr，濃縮液蛋白含量≥2％?？芍苯幼鳛榻湍概囵B液。

最近又報導了郭本恒等進(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。試驗結果；3、5、1o萬(wàn)膜對lgG、BSA、Lp、Lf等蛋白完全截；對a—La P—Lg蛋白有一定截留作用。同一種膜，β—Lg截留遠高于 α—La蛋白。對純的α-La、β-Lg蛋白，初乳截留率明顯偏低。

5.膜分離技術(shù)在制酒業(yè)中的應用

（1）生啤酒的過(guò)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(lái)代替高溫瞬時(shí)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(lái)看，微濾的運行費用接近甚至低于高溫瞬時(shí)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(shù)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，國內啤酒廠(chǎng)的生啤過(guò)濾工藝多是在硅藻土過(guò)濾或板框過(guò)濾之后，先采用孔徑為1μm的濾芯（可以是超細聚丙烯纖維濾層），再通過(guò)孔徑為0.22μm 或0.45μm 的膜復合濾芯（一般采用耐酸堿的聚偏氟乙烯微濾膜、聚砜類(lèi)膜或耐強堿的尼龍膜，也可以是纖維素類(lèi)膜等）。由于采用兩層不同孔徑的膜復合而成的濾芯，其外層膜可濾去顆粒較大的膠體及酵母菌，減輕后層膜的負擔，從而提高了啤酒過(guò)濾的質(zhì)量和數量。

（2）白酒的過(guò)濾

采用0.45μm 或0.65μm級微濾膜過(guò)濾的白酒產(chǎn)品（如瓶裝酒）在存放時(shí)不受微生物污染。0.45μm級膜基本能夠去除所有的有機物，但費用較高，因為它比0.65μm 微濾膜或孔徑更大的膜堵塞更快，同時(shí)，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(shí)很重要。因此，究竟是選擇0.45μm還是0.65μm孔徑的膜，取決于保證微生物去除和經(jīng)濟性之間的平衡。

（3）葡萄酒的澄清過(guò)濾

采用膜技術(shù)改造后的葡萄酒制作工藝如下：葡萄→ 軋碎→ 壓榨→葡萄汁→ 超濾澄清→發(fā)酵→微濾→陳放→ 超濾→ 裝瓶。

超濾主要用于發(fā)酵前澄清葡萄汁及發(fā)酵后過(guò)濾已陳放準備裝瓶的酒液，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(wú)用的微生物。

采用超濾可改善葡萄酒的穩定性。葡萄酒渾濁是由不穩定蛋白或在酸性條件下不溶性蛋白所引起的。傳統的方法是采用硅藻土過(guò)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雜的口感，過(guò)量的多酚會(huì )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—蛋白復合物，它需要通過(guò)過(guò)濾將其除掉。超濾可以降低多酚的含量但不能將其全部去除。然而，由于多酚氧化酶也同時(shí)被超濾去除，因此，超濾的應用，改善了酒的顏色與口味的穩定性。

微濾和超濾在清酒、黃酒、保健酒及香檳生產(chǎn)中的應用也不少，它脫除了酒中的果膠、蛋白質(zhì)和發(fā)酵代謝物等雜質(zhì)，并解決了由此產(chǎn)生的沉淀。

膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應用很廣泛，上面只是其中的一些應用而已。

今后，膜分離在食品工業(yè)中的應用將從深度和廣度兩個(gè)方面不斷擴展。如不斷開(kāi)發(fā)新型膜材料，拓寬膜的品種，提高膜的性能，發(fā)展新品種的共混膜和復合膜；發(fā)展新的膜分離技術(shù)及集成膜分離技術(shù)，不斷發(fā)展和完善膜萃取、膜親和過(guò)濾技術(shù)等新型膜技術(shù)，以及膜分離與化學(xué)反應相結合、膜分離與蒸發(fā)單元操作相結合、膜分離與冷凍單元操作相結合等集成膜分離技術(shù)，使膜分離技術(shù)在實(shí)際應用中發(fā)揮更大的作用；改進(jìn)膜的清洗方法，完善膜分離技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應用。

膜分離技術(shù)在食品加工領(lǐng)域中的應用日益廣泛，利用膜技術(shù)生產(chǎn)的食品有其明顯的優(yōu)勢。為了提高產(chǎn)品附加值及開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品而采用膜分離技術(shù)是食品加工的發(fā)展方向之一，膜分離技術(shù)一旦實(shí)現大規模的工業(yè)應用，將會(huì )引起工業(yè)生產(chǎn)的重大革新。