食品加工新技术

三、 膜分离设备 在选择膜分离设备时应考虑的问题包括：①分离类型，②生产量， ③操作时的应变性，④保养难易程度，⑤操作方便与否。目前世 界范围内广泛应用并有定型的膜分离设备主要有四种：板框式、 螺旋盘绕状、管式和空心纤维状。
膜污染与清洗 膜分离过程中遇到的最大的问题是膜污染（membrane fouling）， 它通常是指膜与溶质的相互作用而在膜表面和孔内吸附，或因为 浓度差极化，在膜表面溶质浓度超过饱和浓度而在膜表面产生沉 淀或结晶，形成凝胶层，引起膜性能变化的现象。它是一个不可 逆过程，不仅使膜的透水率降低，而且使其截留分子量变小；甚 至在含量很低的基因工程产品分离中，由于膜的吸附而几乎得不 到产品，通常它受如下因素的影响：
3无机盐 无机盐通过两条途径对膜污染产生重大影响。一是有些无 机盐复合物会在膜表面或膜孔直接沉积，或使膜对蛋白质的吸附 增强而污染膜。二是无机盐改变了溶解离子强度，影响到蛋白质 溶解性、构型及悬浮状态，使形成的沉积层疏密程度改变，因此 对膜透水率影响也不同。 4温度的影响 温度对膜污染的影响的原因尚不是很清楚，根据一般规律溶液温度 升高，其粘度下降，透水率应提高。但是对某些蛋白质溶液来说， 温度升高反而会导致透水率降低。这是由于在较高温度时，某些 蛋白质溶解性下降的缘故。Maulois用超滤浓缩甜乳清时即出现此 现象，Dillman等也认为在大多数有意义的超滤应用范围 （30℃~60℃）内蛋白质分子的吸附随温度提高而增加。对于基 因工程产品，由于其浓度较稀，且有失活问题，一般在低于10℃ 下分离浓缩为好。
0.0001μ m
0.001μ m
反渗透
0.1wk.baidu.com m
超滤
10μ m
微滤
0.1 nm
nm
1.0 nm
100.0 nm
10000.0
图1 反渗透膜、超滤膜及微滤膜的孔径范围
1． 超滤 超滤膜的孔径为1nm到200nm（或更大），主要用于过滤 含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微细粒子 从溶液中分离的过程叫超滤。超滤的推动力是压差， 一般操作压力0.1~1.0MPa，在溶液侧加压，使溶剂透 过膜，同时小分子的溶质也可透过。不同孔径的超滤 膜可以分离不同相对分子质量和形状的大分子物质， 能截留蛋白质、脂肪、葡萄糖、色素、果胶体、病毒 等物质。纯水的透过速度一般为1m3/（㎡· h）。在生物 与生化产品分离研究中十分活跃。
微胶囊技术 微胶囊(micro-encapsulation)技术是一项用途广泛而又发展迅速的 新技术。自从1953年微胶囊技术问世以来，经过许多科学家和专 业公司的努力，微胶囊技术获得不断的发展和完善。微胶囊技术 在国际先进国家发展很快，已达到将此技术应用于细胞载体及液 晶等高精尖水平，技术方法也不断完善在食品、化工、医药、生 物技术等许多领域中已得到成功的应用，尤其在食品工业，许多 由于技术障碍而得不到开发的产品，通过微胶囊技术得以实现， 使得传统产品的品质得到大大的提高，为食品工业高新技术的开 发展现了良好前景。食品中应用微胶囊技术的目的主要为将液体 或气体成分转化成易处理的固体；保护敏感成分，防止其被氧化； 控制释放的速度和时间等。由于这些特点，使该技术在食品中的 应用越来越广泛。
膜分离技术 膜分离（membrane separation）利用具有一定选择性透 过特性的过滤介质进行物质的分离纯化，是人类最早 应用的分离技术之一 一、 分离技术的分类及简介 膜分离技术包含着非常丰富的内容，在生物分离领域应 用的膜分离技术主要包括透析（Dialysis，DS）、微滤 （Microfiltration，MF）、超滤（Ultrafiltration，UF）、 反渗透（Reverse osmosis，RO）、电渗析 （Electrodialysis，ED）和渗透汽化（Pervaporation， PV）等方法，而应用最广泛的是超滤和反渗透。
1 膜的化学特性 膜的亲疏水性、荷电性影响膜与不同溶质间相互作用的大小。一般 静电相互作用较易预测，而亲疏水性却较难预测，尤其生物发酵 系统组成极为复杂，必须对不同对象用各种膜进行实验选择。 2蛋白质种类与溶液pH值 pH值对蛋白质在水中溶解性及构型有很大影响。蛋白质一般在其等 电点时溶解度最低，偏离等电点时，溶解度增加。由于不同膜的 亲疏水性、荷电性能不同，不同蛋白质特性也不同，所以较难预 测。对于荷电膜而言，当蛋白质荷电性与膜固定离子电性相同时， 污染程度较小。一般认为强疏水膜和强亲水膜与蛋白质相互作用 较小，较耐污染。
1． 透析 透析是利用膜两侧的浓度差，使溶质从高浓度的一侧通过膜孔扩散 到浓度低的一侧从而得到分离的过程。它是最早发现、研究和应 用的一种膜分离技术，目前主要用于人工肾生物发酵过程中，利 用透析膜的渗透作用，选择适当孔径的膜可使发酵液中的产物和 有害代谢产物透过而截留菌体，从而解除发酵体系中产物和有害 代谢物对菌体或关键酶的抑制
（1 4） 复合膜 复合膜与不对称膜不同，它是由一种以上的 膜材料制得的，一般是在非对称性超滤膜表面加一层0.25~15μ m 厚的致密活性层而制成。膜的分离作用主要取决于这层致密活性 层，可以用于各种材料制得，适用于反渗透、气体膜分离和渗透 汽化等过程。 （2 5） 离子交换膜 由离子交换树脂制成，主要用于电渗析， 有阳离子交换膜和阴离子交换膜，多为均质膜，厚200μ m左右。 如在膜内加强化剂，可增加膜的强度，则成为半均质膜。
（1 1）均质膜或致密膜 该类膜为均匀的致密膜，物质通过这类膜 是依靠分子扩散膜，因为物质在固体中的扩散系数很小，所以为 了达到有实用意义的传质速率，这类膜必须很薄。 （2 2） 微孔膜 这类膜的平均孔径0.02~10μ m，包括多孔膜和核 孔膜两种类型。多孔膜呈海面状，孔道曲折，膜厚50~250μ m，应 用较普遍。核孔摸是反应堆产生的裂变碎片轰击10~15μ m的塑料 薄膜，再经化学试剂侵蚀而成，膜孔呈园柱直形，孔短，开孔率 小但均匀。 3)非对称膜 此膜的断面不对称，由表面活性层与支撑层两层组成。 表面活性层很薄，厚度0.1~1.5μ m，决定分离效果。支撑层厚 50~250μ m起支撑作用，呈多孔性。制作比膜的材料有醋酸纤维 素、聚丙烯腈、聚酰亚胺等。这类膜可用于反渗透、气体分离和 超滤。
1． 微滤 微滤即微孔过滤，传质推动力是压力差，它是利用孔径为0.01μ m到 10μ m的多孔膜来过滤含有微粒的溶液，将微粒从溶液中除去（图 1）。传统上微滤采用垂直形式运行，而今出现了错流微滤 （cross flow microfiltration），多用于酒和饮料的加工过程 中。一般情况下，微滤的纯水透过流速为1 m3/（m2· min）。微滤 在30年代硝酸纤维素微滤膜商品化，60年代主要开发新品种。近 年来以四氟乙烯和聚偏氟乙烯制成的微滤膜已商品化，具有耐高 温、耐溶剂、化学稳定性好等优点，使用温度范围为－100～ 260℃。
5. 料液浓度、流速与压力的影响 在超滤分离、浓缩蛋白质时，压力与流速对膜透过率影响通常是相 互关联的。当流速一定及浓差极化不明显之前，膜的透水率随压 力增加而近似直线增加；在浓差极化起作用后，则由于压力增加， 透水率提高，浓差极化也随之严重，从而透水率呈曲线增加。当 浓差极化使膜表面溶质浓度达到极限浓度时，溶质在膜表面开始 形成“凝胶层”，此时“凝胶层”阻力对膜的透水率影响起到决 定性作用，透水率不再依赖于压力，即压力再提高，透水率几乎 不变（或称之为平衡透水率）。当流速提高或料液浓度降低时达 到极限浓度时的压力升高，平衡透水率也相应升高，因此通过增 加压力提高透水率时，必须考虑采用的料液流速、压力要低于形 成“凝胶层”的压力。
5． 电渗析 电渗析也是较早研究和应用的一种膜分离技术，它是基 于离子交换膜能选择性地使阴离子或阳离子通过的性 质，在直流电场的作用下，使阴阳离子分别透过相应 的膜以达到从溶液中分离电解质的目的，电渗析目前 主要用于水处理，如海水淡化、给水软化脱盐和工业 用水的纯化处理等。发酵工业中可用于啤酒等酿造用 水纯化处理、柠檬酸提取及乳清加工上
常用的一些壁材
2.1 碳水化合物 用于微胶囊壁材的碳水化合物主要有麦芽糊精、玉米淀粉糖浆、环糊精、壳聚糖、纤 维素、蔗糖及变性淀粉等物质。 麦芽糊精和玉米淀粉糖浆这两种碳水化合物本身不具备乳化能力，成膜能力也差，但 它们与其他具有乳化性的壁材配合后，可提高体系的固形物浓度，有利于降低干 燥能耗，减少生产成本。环糊精也不具备乳化能力，但其分子中疏水性空腔能同 具有一定大小与形状的疏水性分子形成稳定的非共价复合物，从而起到稳定心材， 掩盖心材异味的作用，但环糊精在微胶囊制品中应用有一定的局限性。壳聚糖主 要用在复凝聚法微胶囊技术，纤维素及其衍生物主要用在水溶性食品添加剂如甜 味剂、酸味剂以及酶或细胞的包埋剂。蔗糖具有溶解速度快、热稳定性高、价格 低、来源广的特点，常被用来作为微胶囊的壁材，以往的研究主要限于在挤压法、 共结晶两种微胶囊化工艺中使用，最近已开始有将蔗糖用作喷雾干燥法微胶囊工 艺的壁材的报道。具有乳化性能的碳水化合物只有辛酰基琥珀酸酯化变性淀粉， 这种淀粉分子结构中同时包含亲水亲脂基团，因此具备乳化心材的能力，且已被 FDA正式批准使用，它还具备高固形物浓度时低粘度的特点，比传统的阿拉伯胶 具有更强的优越性，但它的来源依赖于进口。 综上所述，用作微胶囊壁材的碳水化合物以麦芽糊精，玉米淀粉糖浆，蔗糖较为切合 实际，这三种碳水化合物中由于玉米淀粉糖浆的价格较高，因此又以麦芽糊精与 蔗糖最具实用性。
膜的种类 由于膜的应用范围很广，因此要求具有较宽范围的性质和操作特性， 在选择膜时，应主要考虑的几个指标是：分离能力（选择性和脱 除率），分离速度（透水率）、膜抵抗化学细菌和机械力的稳定 性（对操作环境的适应性），以及膜材料的成本。 目前，用于制膜的有机聚合物很多，有各种纤维素脂、脂肪族和芳 香族聚酰胺、聚砜、聚丙烯腈、聚四氯乙烯、聚偏氟乙烯、硅橡 胶等。这些聚合物膜按结构和作用特点分为如下五类：
反渗透 利用反渗透膜对溶液施加压力，克服溶剂的渗透压，使 溶剂通过反渗透膜从溶液中分离出来的过程称之为反 渗透。与超滤不同，在反渗透过程中反渗透膜选择性 的只能透过溶剂（通常是水）而不使溶质透过，截留 所有可溶物（包括盐、糖、离子等相对分子量大于150 道尔顿的物质），因此又称脱水技术。反渗透的操作 压 力 高 达 1.0~10 MPa ， 纯 水 透 过 流 速 一 般 为 1 m3/ （m2· d）。
一、微胶囊化技术方法分类 （一）微胶囊的组成 1 心材 心材也称为囊心物质，可以是单一的固体、液体或气体，也可以是 固液、液液、固固或气液混合体等。既可以是食品中的天然组分， 也可以是食品添加剂，其选择具有很大的灵活性。可作为心材的 物质有很多，在不同行业、不同用途中有不同的内容。在食品及 饮料工业中，可作为心材的物质有：生物活性物质(如活性多糖、 茶多酚、SOD等)，各种氨基酸、矿物质元素，各种食用油脂、维 生素、香料香精，各种酶制剂、防腐剂。此外甜味剂、酒类、微 生物细胞、酸味剂、色素、酱油等也可作为囊心物质。
2 微胶囊的壁材 微胶囊技术实质上是一种包装技术,其效果的好坏与“包装材料”壁 材的选择紧密相关。一种理想的壁材必须具有如下特点: （1）高浓度时有良好的流动性,保证在微胶囊化过程中有良好的可操 作性能; （2）能够乳化心材并能稳定产生的乳化体系; （3）在加工过程以及贮存过程中能够将心材完整的包埋在其结构中; （4）易干燥以及易脱落; （5）良好的溶解性; （6）可食性与经济性。
5． 渗透汽化 渗透化气又称渗透蒸发，它是利用膜对液体混合物中组 分的溶解和扩散性能的不同，由液相通过均匀的膜向 蒸汽相的物质传递过程。蒸汽态的透过物在真空条件 下被吸走，并在膜装置以外冷凝。此过程中，膜起到 改变蒸汽—液相平衡的作用，而这一平衡正是蒸馏分 离的基本原理。因此，本法分离工业酒精制取无水酒 精的过程已经工业化。