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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，除了少數以純凈物質形式存在外，絕大多數以混合物形式存在。為了使各類物質適合人們的需要，經常要進行物質分離、凈化、提純或濃縮。隨著現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，可減少產品流失，提高產品得率并避免環(huán)境污染，符合清潔生產工藝的要求與規(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)?？纱罂尚?，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 在果蔬汁生產中的應用

    在果蔬汁生產中，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濟。從牛奶生產酸奶或奶酪等傳統(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，影響產品質量。將反滲透技術用于稀牛奶的濃縮，可生產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。古巴干酪公司生產干酪素的經驗表明，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，經膜法處理后的透過液可作為生產用水回收，濃縮液可作為生產原料。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-淀粉酶產品。

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