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膜科學技術及其在食品工業(yè)中的應用

2009/4/29

 引言

    眾所周知，構成自然界的各種物質，除了少數(shù)以純凈物質形式存在外，絕大多數(shù)以混合物形式存在。為了使各類物質適合人們的需要，經(jīng)常要進行物質分離、凈化、提純或濃縮。隨著現(xiàn)代社會對物質高效分離與純化的要求, 膜科學技術應運而生，并形成一項欣欣向榮的高科技產(chǎn)業(yè)。

    膜分離法是以外界能量為推動力，用高分子薄膜，憑借各組分在膜中傳質的選擇性差異，對多組分流體物質進行分離、分級、提純和富集的方法。膜分離法是微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）、氣體分離(GP)、滲透蒸發(fā)（PV）、滲析（DL）和電滲析（ED)等一系列膜分離技術的總稱。

    膜分離過程一般不涉及相變化，操作溫度在室溫左右，具有投資小、占地少、無污染、高效、節(jié)能等特點，可減少產(chǎn)品流失，提高產(chǎn)品得率并避免環(huán)境污染，符合清潔生產(chǎn)工藝的要求與規(guī)范。在人類面臨環(huán)境污染、能源與資源危機的今天，膜分離技術受到世界各國環(huán)保當局的重視與推廣。近二三十年來膜技術取得了顯著進展。1990年全世界制膜工業(yè)銷售總額已達到40億美元，且以每年14～30%的速度增長，目前已廣泛應用于化工、電子、輕工、醫(yī)藥、紡織、印染、造紙、發(fā)電冶金、國防、石油、污水處理、農(nóng)業(yè)、食品等各行業(yè)。膜分離技術是當代國際上公認的最具有經(jīng)濟效益和社會效益的高新技術之一。下面對膜技術及其在食品工業(yè)中的應用做一簡要介紹。

    2 膜技術應用于食品工業(yè)的特點

    膜分離技術作為新興的化工分離單元，在食品/飲料工業(yè)中受到高度重視。主要特點如下。

    ①在常溫下進行，營養(yǎng)成分損失極少，特別適合于熱敏性物質如果汁、酶等的分離、分級、濃縮與富集。

    ②不發(fā)生相變化，所以揮發(fā)性成分如芳香物質損失較少，可保持原有的芳香，與有相變化的分離法和其他分離法相比，能耗低，分離水分時，其費用約為蒸發(fā)濃縮或冷凍濃縮的1/2~1/5。

    ③在密閉系統(tǒng)中進行，被分離食品無色素分解和褐變反應。

    ④不用化學試劑和添加劑，產(chǎn)品不受污染。

    ⑤選擇性好，可在分子級內進行物質分離，具有普通濾材無法取代的卓越性能。

    ⑥適應性強，使用范圍廣，可用于分離、濃縮、純化、澄清等工藝。

    ⑦處理規(guī)模可大可小，可以連續(xù)也可以間歇進行，膜組件可單獨使用也可聯(lián)合使用，工藝簡單，操作簡便，易于實現(xiàn)自動化操作。

    在食品加工工業(yè)中，膜技術應用的最大障礙是處理料液多種多樣，物理性質千差萬別。同時食品工業(yè)要求膜技術的處理成本十分低廉，這就更增加了膜分離技術在食品工業(yè)中的應用難度。

    3 膜技術在食品工業(yè)中的應用

    3.1 在果蔬汁生產(chǎn)中的應用

    在果蔬汁生產(chǎn)中，膜技術有兩方面的主要應用：微濾、超濾技術用于澄清過濾；納濾、反滲透技術用于濃縮。

    用超濾法澄清果汁時，細菌將與濾渣一起被膜截留，不必加熱就可除去混入果汁中的細菌。相對于酶法而言，濾汁中不存在未分解的果膠，長期貯存極少出現(xiàn)二次沉淀。

    果蔬汁濃縮的目的是為了提高果汁成份的穩(wěn)定性、減少體積以便于運輸，同時期望能除去酸和產(chǎn)生不良氣味的成分等，改善果蔬汁風味。傳統(tǒng)的果蔬汁濃縮方法主要采用蒸發(fā)與冷凍脫水兩種，都存在高溫或低溫相變過程，能耗大，且因果蔬汁內含有大量有機酸，加熱濃縮時容易氧化變質，營養(yǎng)成份損失嚴重，產(chǎn)品品質低。例如：果蔬汁中的芳香成份在蒸發(fā)濃縮過程中幾乎全部失去，冷凍脫水法也只保留大約8%，而用反滲透技術則能保留30~60%。

    3.2 在乳品工業(yè)中的應用

    反滲透、超濾技術主要用于乳清蛋白的回收和牛乳的濃縮。目前各國廣泛應用超濾法作為回收乳清蛋白的標準技術。

    用膜分離技術加工乳品比用其他方法更為經(jīng)濟。從牛奶生產(chǎn)酸奶或奶酪等傳統(tǒng)上使用蒸發(fā)濃縮法，不但能耗較高，且會破壞牛奶中的某些熱敏性成份，影響產(chǎn)品質量。將反滲透技術用于稀牛奶的濃縮，可生產(chǎn)出品質令人滿意的奶酪及甜酸奶。用反滲透技術除去乳牛清中的微量青霉素，大大延長了乳制品的保質期。

    采用反滲透法還能將乳清中的固形成分濃縮至18%～30%，進一步干燥后用于家畜飲料或乳清酪的原料。但是在全干乳清中由于含有大量的乳糖和灰分，因而限制了它在食品中的應用，當采用超濾時，可在濃縮乳清蛋白的同時，從膜的透過液中分離掉乳糖、灰分等。

    日本對牛奶的超過濾濃縮與真空蒸發(fā)法作了對比，結果表明，對于一個日處理量為226.8t的工廠來說,無論是設備投資與運轉費用超過濾法均要便宜得多。古巴干酪公司生產(chǎn)干酪素的經(jīng)驗表明，每4.536kg牛奶可制備0.453kg干酪，剩下4.082公斤乳清若以反滲透法和蒸發(fā)法結合對乳清進行處理時，當日處理牛奶量為421848kg，一年生產(chǎn)92d，比單純用蒸發(fā)干燥法可節(jié)省8萬美元。

    3.3 在酒類生產(chǎn)中的應用

    用超濾膜能除去酒及酒精飲料中如殘存的酵母菌、雜菌及膠體等，使酒的澄清性得到改善，并獲得良好的保存性，還能使生酒具有熟成味，縮短老熟期。一些酒經(jīng)超濾處理后風味有所改善，變得清爽又醇香延綿。目前采用超濾對酒和酒精飲料的精制已在美國、意大利、日本等國得到應用，所處理的酒類有葡萄酒、威士忌、燒酒、清酒、黃酒等。使用超濾法還避免酒的熱殺菌易引起的混濁成分的析出，簡化了過濾設備。

    用超濾代替離心分離進行葡萄酒的提純，可以在不加化學試劑情況下制得透明葡萄酒，還可降低酒中的乙醇含量。

    過濾是啤酒生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，目的是除去啤酒中的酵母、蛋白質和多酚復合物等微小物質，改善啤酒的生物和非生物的穩(wěn)定性。經(jīng)棉餅過濾或硅藻土過濾后之啤酒稱為鮮啤酒或生啤酒，貯存超過一周就會發(fā)生生物混濁。人們日常飲用的瓶裝啤酒，在裝瓶后必須經(jīng)過低溫滅菌，使殘留的酵母及其他雜菌停止繁殖，這樣的啤酒稱為熟啤酒，一般能保持60~90d或更長。生啤酒的口味雖優(yōu)于熟啤酒，但不能長期保存，給運輸及銷售等帶來一定的困難。為了使生啤酒不經(jīng)低溫加熱滅菌而能長期保存，建議采用過濾膜進行啤酒的精濾和無菌過濾的新技術。

    3.4 在豆制品工業(yè)中的應用

    蛋白質的分離和回收是膜技術在豆制品工業(yè)中的主要應用。豆乳制作時產(chǎn)生的大豆乳清，通常方法只能從中提取近60%的蛋白質，殘留蛋白質可以用超濾進行濃縮，能夠增加20～30%的豆腐收率。采用超濾法可在濃縮蛋白的同時，去除產(chǎn)生豆膻味和影響豆乳穩(wěn)定性的低分子物質，提高豆乳質量。

    制醬工廠排出的廢水中，80%以上BOD主要來自大豆的蒸煮汁。大豆煮汁可進行分階段超濾處理，經(jīng)膜法處理后的透過液可作為生產(chǎn)用水回收，濃縮液可作為生產(chǎn)原料。大豆蛋白工業(yè)中的乳清處理，是防止水體污染的重要問題。大豆乳清中含有多種低分子蛋白質、多糖類、肽、少糖類等物質，采用超濾法從大豆乳清中回收濃縮大豆蛋白，以滿足人類和畜牧業(yè)的需求。采用超濾法對大豆乳清進行濃縮分離，濃縮液中含有β-淀粉酶、胰朊酶、阻凝酶、阻凝劑等，選用合適的超濾膜對β-淀粉酶進一步分離濃縮，可獲得β-淀粉酶產(chǎn)品。

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