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膜分离技术在食品中的应用

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20130404 食品科学 膜分离技术在食品中的应用
摘要：本文主要介绍了膜分离技术种类和特点,，综合阐述了膜分离技术在食品农产品中的应用，以及膜分离技术在食品中应用的发展前景。
关键字：膜分离技术；应用；展望
引言
膜及其相关技术在自然界中扮演着越来越重要的角色，它的产生和发展与人类的生活密切相关，在人类的生活与实践中，人们早已不自觉地接触和应用到了膜分离技术。从18世纪人类首先认识生物膜以来，在长达两百年多年中对膜分离技术积累了大量的理论基础研究，为后来广泛应用提供了良好的基础。膜分离技术的迅猛发展是在上世纪60~80年代开始的，至今不过40余年，但是发展非常迅猛。由于膜分离技术的应用与发展，使传统的分离过程受到了挑战，引起了分离技术的重大变革。膜分离技术是一种借助外界能量或化学位的推动， 以选择性透过膜为分离介质，对两组分或多组分气体或液体进行分离、分级和富集的。与传统分离方法(蒸发、萃取或离子交换等)相比，它是在常温下操作，没有相变，最适宜对热敏性物质和生物活性物质的分离与浓缩；具有高效、节能，工艺过程简单，投资少，污染小等优点，因而在化工、轻工、电子、医药、纺织、生物工程、环境治理、冶金等方面具有广泛的应用前景。
膜分离技术是以高分子分离膜为代表的流体分离单元操作技术，是一种新型的边缘学科高新技术。近年来，随着膜分离技术的发展，它在食品农产品加工业中的应用越来越广泛。
1 膜技术概况
膜分离技术是以选择性透过膜为分离介质，以膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差等)使原料侧组分选择性地透过膜，从而达到分离、提纯的目的。以过滤孔径由大到小的顺序排列依次是： 微滤、超滤、纳滤、反渗透。微滤是指过滤精度在0.1-10um范围的过滤技术；超滤的分离是分子级的，孔径在10-7至10-9m数量级；切割分子量为1000-100000；可以截留溶液中溶解的大分子溶质，透过小分子溶质。纳滤的切割分子量为0-1000；纳滤在截留较大分子量组分的同时使小分子组分透过。反渗透是透过组分选择性溶解在膜的料液侧，然后在膜两侧静压差推动下，扩散透过膜；理论上其切割分子量为18。膜分离过程有两种过滤方式：终端过滤和错流过滤。其中错流过滤能有效的控制膜污染，使过滤过程得以连续进行。目前工业上应用广泛的膜组件结构有管式膜、卷式膜、板式膜及中空纤维膜几种。根据材质不同，又分为无机材料和有机材料两类。有机膜其分离介质由高分子材料做成，有芳香族聚酞胺、聚醚矾等。这些高分子材料对部分有机溶剂不具有相容性，对温度、pH值有一定适用范围。同无机膜相比有易污染，寿命短的缺点。无机膜的材质通常有两种，一种是以不锈钢为支撑层，表面二氧化钦涂层为过滤层；另一种是以陶瓷为支撑层，表面涂铝或钦的氧化物涂层。
膜分离技术作为一门新型的高效分离、浓缩、提纯及净化技术，由于其多学科性特点，膜技术可应用于大量的分离过程。各种膜过程具有不同的机理，适用于不同的对象和要求。操作过程一般比较简单，经济性好，可以直接放大，可专一配膜。可在常温下连续操作，特别适用于热敏性物质的处理，在食品加工、医药、生化技术领域有其独特的适用性。一般来说，采用能透过气体或液体的膜分离技术对下述体系进行分离具有特殊的优越性:化学性质及物理性质相似的化合物的混合物；结构的或取代基位置的异构物混合物；含有受热不稳定组分的混合物。当利用常规分离方法不能经济、合理地进行分离时，膜分离过程作为一种分离技术就特别适用。另外，它也可以和常规的分离单元结合起来作为单元操作来运用。当然，膜分离过程也有自身的缺点，如易浓差极化和膜污染、膜寿命有限等，而这些也正是需要我们克服或者需要解决的问题所在。
2 膜分离技术在果蔬汁中的应用
果蔬汁加工是膜分离技术在食品加工应用中较成功的领域之一，20世纪80年代初，该技术在国外已经得到工业化应用。目前国内企业也逐步开始使用，其中膜分离技术在苹果汁的生产中应用得较广， 传统的果蔬汁加工工艺，不仅损害风味和营养，而且能耗和成本均较高。而超滤和反渗透等膜分离技术的逐步应用，有望克服这些缺陷，采用超滤澄清法，可将果蔬汁中的蛋白质、淀粉、果胶及一些悬浮颗粒全部除去，同时还可以除去部分杂菌。而其风味物质糖和维生素等可以得到保留，如橙汁、苹果汁、山楂汁、猕猴桃汁的超滤澄清，以及采用反渗透浓缩法进行橙汁、番茄汁的浓缩，另外膜技术还可以达到冷杀菌的效果。
曾凡坤研究认为，超滤对果蔬汁的营养成分没有负面影响，果蔬汁超滤后的透过率在86%以上，总糖和酸的透过率在90%以上，钾的透过率平均达85%以上，镁和磷的透过率平均也在90%以上，而蛋白质和果胶的透过率较小，大部分能被除去，且孔径越小，去除率越大。超滤还能够大大减少透过液中的细菌总数。超滤后的果汁透光率达99%以上，澄清而透明。钟海雁等人对超滤分离后的柑橘汁进行反渗透浓缩研究，发现柑橘汁浓缩后色泽、芳香以及营养成分均得到保存。孙平利用反渗透技术对几种果蔬汁如黄瓜、芹菜和胡萝卜进行浓缩实验，结果表明，反渗透在果蔬汁的浓缩加工方面确实可行。
3 膜分离技术在蛋白生产中的应用
传统的生产蛋白的方法是碱溶酸沉法，但产生太多的乳清副产物。使用膜分离技术回收蛋白质通常不产生乳清状副产物，避免了废水处理，增加了分离蛋白的收率及其氮溶解度，产品的功能性也更好。多年来，科学工作者在把超滤膜应用到制备大豆蛋白工艺上做了大量的研究。崔岸研究指出切割分子量为20000~ 3 0000Da的聚矾酞胺膜制备大豆分离蛋白的蛋白截留率为95%，蛋白质回收率为93.9%。汪勇等用无机陶瓷膜超滤法制备大豆分离蛋白,其蛋白质含量为92.62% 。J. kron等用萃取、超滤及渗滤法制备菜籽蛋白，制得的产品其蛋白质含量大于90%，而且产品中未检出硫代葡萄糖贰及其分解产物和植酸盐。刘志强等网用水酶法和UF结合同时提取菜籽油和菜籽蛋白过程中，采用超滤发制备的菜籽蛋白粉，菜籽蛋白含量及得率达90%以上，而且产品中粗脂肪、粗纤维及植酸低于酸沉法，异硫氰酸醋、恶哇烷硫酮均未检出，达到食用标准，并且蛋白质功能特性得到很大改善。
4 膜分离在大豆深加工的应用
微滤、超滤、渗透和反渗透等膜分离技术，为开发大豆功能性食品提供了非常有效的加工方法，主要用于大豆蛋白的分离、乳清蛋白的回收、低聚糖的提取和磷脂的提纯等。侯东军等人使用植酸酶对脱脂大豆粉溶液处理后用超滤膜超滤，所得膜浓缩大豆蛋白含72.5%蛋白质，并且植酸浓度大大降低，与目前传统生产方法相比，蛋白质得率提高17%~26%，杨国龙等人利用商业聚砜平板膜生产大豆浓缩蛋白，蛋白质的回收率达到90%以上。张新会等人采用不同截留分子量的超滤膜对大豆肽溶液进行分级分离，结果表明膜分离方法可对大豆肽进行有效的分离。王晓忠等人以大豆分离蛋白生产中的乳清废水为原料，利用膜分离设备分别对乳清蛋白、异黄酮和低聚糖进行回收利用；另外，制酱时的大豆蒸煮和制豆腐时的黄浆水中均含有大量的蛋白质，可利用超滤分离技术进行回收。
5 膜分离技术在油脂深加工与制品中的应用
5.1 磷脂的制备
膜分离技术从植物油中直接制备磷脂不仅可省去精炼工艺中脱胶工序，而且可以省去投资较大的旋转薄膜蒸发器。汪勇等用10nm , 截留分子量为200(X)的无机膜超滤30%的大豆混合油，透过液经旋转蒸发脱除溶剂得到大豆油，对该大豆油做280℃加热实验表明油脂磷脂基本被截留。
5. 2 分提
油脂的主要成分是甘油三酯，它是一种混合物酯，甘油三的物理、化学特性和构成它的脂肪酸的性质密切相关。脂肪酸的性质由分子中的碳数和碳碳双键数决定。利用甘油三酯的极性的差异, 以及它和金属亲和能力的异同, 可以对甘油三酯混合物进行分提。EiAma等用HPLC检测透过液和原料甘油三酯的变化、用DSC来测定透过液和原料SFC的差异。结果表明三氧化二铝由于分子中的铝氧键键极性较强, 对饱和脂肪酸的亲和能力更强, 最先透过的油脂中的SFC明显高于原料黄油。SalwaBorna等用微滤膜在50℃错流过滤黄油, 甘三酯依据其分子量大小和不饱和程度分成四部分。
5.3 催化剂回收
油脂氢化是在装备有氢气分配器，搅拌器，加热或冷却盘管，气体处理系统，催化剂加人装置的反应釜中间歇进行的。当氢化完成后，通过一种高效过滤器进行过滤分离，并回收催化剂。陶瓷膜能耐氢化作用的高温操作，可代替传统回收催化剂的过滤器。carlVavra等用不同型号的无机微滤膜对氢化油进行微滤处理，结果表明镍催化剂可以被截留90%以上。NORTON公司的过滤器已被应用在回收活性炭和其他细小不纯的催化剂。
6 膜分离在乳品中的应用
膜技术在乳品工业中应用已有多年，传统膜技术只用于乳清处理，现已逐步进入其他领域。目前，膜技术在乳品除菌、乳清回收、乳清脱盐、乳浓缩、乳蛋白浓缩、乳蛋白分级分离、乳的标准化以及在酸乳和干酪制造等方面均有应用。利用膜分离技术的冷杀菌潜势，可实现乳品灭菌。1987年Piot等人首次将无机膜用于全脂牛奶的过滤除菌，现在将巴氏杀菌和无机膜过滤结合，生产浓缩的巴氏杀菌牛奶的过程已实现了工业化，乳品加工中恰当地使用膜分离技术，可简化生产工艺、提高生产效率、提高乳的综合利用率，而且可以降低能耗，减少废水污染，因而具有显著的经济效益和环保作用，具有较好的发展和应用前景。
7 结语
膜分离技术用于食品工业开始于20世纪60年代末，首先是从乳品加工和啤酒的无菌过滤开始的，随后逐渐用于果汁、饮料加工、酒精类精制等方面。至今，膜分离技术在食品加工中已得到广泛应用。膜分离技术用于食品加工有很多优点：与传统方法相比，不会因加热而产生色、香、营养成分等质量指标的恶化；节省能源、设备占地面积小；更重要的是由于分离膜性能的提高，能在很高精度水平下分离各种成分。随着生活水平的提高，人们对农产品品质和风味等的要求也不断提高，不断采用新技术，将是农产品加工业进一步发展的需要，因此膜分离技术将在未来我国农产品加工行业发展中扮演更加重要的角色。
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