膜分离技术在食品中的运用

人们对膜进行科学研究则是近几十年来的事。1950年朱达W．Juda试制出选择透过性能的离子交换膜，奠定了电渗析的实用化基础。1960年洛布(Loeb)和索里拉简(Sourirajan)首次研制成世界上具有历史意义的非对称反渗透膜，这在膜分离技术发展中是一个重要的突破，使膜分离技术进入了大规模工业化应用的时代。其发展的历史大致为：20世纪30年代微孔过滤；40年代透析；50年代电渗析；60年代反渗透；70年代超滤和液膜；80年代气体分离；90年代渗透汽化。此外，以膜为基础的其它新型分离过程，以及膜分离与其它分离过程结合的集成过程(Integrated Membrane Process)也日益得到重视和发展。

一、膜分离原理

膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差、温度差等)时，原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离、提纯的目的。不同的膜过程使用不同的膜，推动力也不同。目前已经工业化应用的膜分离过程有微滤(MF)、超滤(UF)、反渗透(RO)、渗析(D)、电渗析(ED)、气体分离(GS)、渗透汽化(PV)、乳化液膜(ELM)等。

二、膜分离技术

反渗透、超滤、微滤、电渗析这四大过程在技术上已经相当成熟，已有大规模的工业应用，形成了相当规模的产业，有许多商品化的产品可供不同用途使用。这里主要以反渗透膜和超滤膜为代表介绍一下。

2.1 反渗透膜(RO)

反渗透膜使用的材料，最初是醋酸纤维素(CA)，1966年开发出聚酰胺膜，后来又开发出各种各样的合成复合膜。CA 膜耐氯性强，但抗菌性较差。合成复合膜具有较高的透水性和有机物截留性能，但对次氯酸等酸性物质抗性较弱。这两种材料耐热性较差，最高温度大约是60℃左右，这使其在食品加工领域的应用中受到限制。

2.2 超滤膜(UF)

超滤膜最初也是使用CA做材料，后来各种合成高分子材料得以广泛应用。其材料多种多样，共同特点是具有耐热、耐酸碱、耐生物腐蚀等优点。

目前使用最多的UF膜材料是聚芳砜和异丙基聚芳砜。这两种材料的最大优点是耐热性非常强。聚芳砜的机械性能好，有优良的耐氧化性能，通常使用时耐热温度可达8O℃，热杀菌时耐热温度可达90℃，异丙基聚芳砜耐氧化性能更好，较高温度下能够保持良好的机械性能，耐热温度可达90℃，热杀菌时可达98℃。进行热杀菌时，高温水急速通过膜装置，因膜装置材料的热膨胀系数不同，有时膜会发生泄漏。现在，通过对环氧系粘合剂的组成、硬化条件的研究，已能够制造耐50℃温差的急速加热冷却的膜装置。

三、分离膜的优缺点

分离膜共同的优点是：①节约能源；②在常温下进行，特别适用于热敏性物质的处理，能够防止食品品质的恶化和营养成分及香味物质的损失；③食品的色泽变化小，能保持食品的自然状态；④设备体积小且构造简单，费用较低，效率较高；⑤适用范围广，有机物和无机物都可浓缩，可用于分离、浓缩、纯化、澄清等工艺。

分离膜的缺点是：①产品被浓缩的程度有限；②有时其适用范围受到限制，因加工温度、食品成分、pH、膜的耐药性、膜的耐溶剂性等的不同，有时不能使用分离膜；③规模经济的优势较低，一般需与其他工艺相结合。

四、膜技术在食品工业中的应用

由于膜分离过程不需要加热，可防止热敏物质失活、杂茵污染，无相变，集分离、浓缩、提纯、杀菌为一体，分离效果高，操作简单、费用低，特别适合食品工业的应用。下面介绍近年来膜分离技术在食品工业中的应用状况。

4.1 澄清

澄清工序是澄清汁生产的关键。传统的澄清方法如明胶单宁法、加热凝聚澄清法、冷冻法、板框过滤法、酶处理法等，都存在各自的弱点。将膜超滤技术用于食醋、酱油、果蔬汁、茶汁、啤酒等生产中，在分离致浊组分的同时达到澄清的目的。由于操作不受温度的影响，不发生相变，可以较好地保存原有风味，同时具有快速、经济的特点。

以水果压榨出汁，制成的果汁饮料中含有许多悬浮的固形物以及引起果汁变质的细菌、果胶和粗蛋白。应用膜超滤技术处理甘蔗汁、苹果汁、草莓汁、南瓜汁等汁液，分离澄清效果良好。陈少州等在南瓜澄清汁加工中分别采用PSA1.5、PSA3.0、等平板超滤膜进行超滤澄清处理，对南瓜汁均有明显的澄清效果。其透光率(λ=420nm)由原汁的78.9%分别上升到99.4%、98.9%，除果胶和蛋白质外，膜截留分子量(MWCO)对可溶性固形物、还原糖、pH、矿质元素和总酸等含量均无影响。澄清汁贮存4个月后PSA1.5、PSA3.0超滤汁无沉淀现象，稳定性好。

传统的酱油澄清技术是采用巴氏消毒法，板框过滤澄清产品。产品有沉淀，细菌数偏高，生产强度大，废弃物多，易造成环境污染。李书申等人用超滤膜技术替代传统的酱油生产中蒸发、浓缩、澄清、净化等装置，对酱油澄清、除茵、脱色处理，大幅降低能耗，提高了产品品质。

饮料业中的水处理。饮料的主要成分是水，水的质量决定了饮料的质量，水处理设备与最终水质有密切关系。只用传统的沙滤棒或硅藻土过滤手段，不可能达到精细的过滤等级和绝对地去除微生物。而应用膜分离手段则可能达到极好的分离效果。在膜技术发达国家，饮料生产领域95%以上采用微孔滤膜为分离途径之一，在我国，微滤、超滤技术在饮料生产中都已得到较广泛应用。在饮料行业中要达到净化、澄清

的目的，用0.45 μm的微孔膜过滤元件进行流程过滤即可满足要求。由于微孔膜过滤后除去的是饮料中的杂质、悬浮物及生物菌体等，而水中的微量元素和营养物质却毫无损失，所以特别适用于某些需保持特殊成分或风味的饮料的净化过滤，如天然饮用矿泉水。应用膜分离过程制备饮用水和超纯水已实现工业化。据统计，1988年世界上应用电渗技术生产饮用水销售额达5亿美元，并按每年10%的速度增长。

茶饮料是目前饮料市场上非常受欢迎的饮品。然而茶提取液中含有蛋白质、果胶、淀粉等大分子物质，其中的茶多酚类及其氧化产物易于咖啡碱等物质形成络合物，使茶汁产生混浊及沉淀，消除混浊及沉淀是茶饮料生产的关键。传统的方法易使茶汁中许多有效成分去除，造成风味严重损失。采用超滤法处理绿茶汁和红茶汁可有效去除茶汁中的大部分蛋白质、果胶、淀粉等大分子物质，而茶多酚、氨基酸、儿茶素、咖啡碱等含量损失很少，醇不溶性物质[AIS]可去除38%—7O% ，使透明度提高92%—95%。茶汁外观清澈透明，口感好，茶汁不易二次浑浊和变质。

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4.2 浓缩、纯化

利用膜的优良的选择性可将溶液中的欲提取组分在与其他组分分离的同时有效地得到浓缩和纯化。

羊栖菜是一种暖温带海藻．羊栖菜多糖具有明显的生物活性，具有抗肿瘤、促进造血功能、防止血栓形成、降血糖、降胆固醇、防高血压、增强免疫力等功能，是“绿色黄金食品”。采用中空维超滤膜技术(截留分子量6000，入口压力1.00-1.09MPa，出口压力0.4O—O.46MPa，操作温度13-15 ℃)脱除羊栖菜粗多糖提取液中的盐分，脱除率达99.9%，同时脱除部分色素物质，在保留了粗多糖提取液中生理活性物质的同时，浓缩了提取液，提高了主要成分褐藻胶与褐藻糖胶的含量。

分离提纯酶解后大豆蛋白粗品制造出具有特定功能性和营养性的富含大豆蛋白肽的食品，是大豆肽能广泛应用的关键．传统生产技术采用醇法或酸碱法，产品得率低，工艺复杂，废水排放易造成环境污染．陈山等采用德国Sartorius产的VIVAFLOW50型板框超滤器(膜材料为聚砜，截留分子量5000，工作压力0.15MPa，温度25℃)以全回流方式对大豆肽粗产品进行处理，分离出纯度达75%的大豆肽。

张宁采用截留分子量为50，000u的内压式中空纤维超滤膜对微生物胞外多糖P3—9415发酵液进行分离浓缩。在0.05Mpa下对3%的料液超滤浓缩至5.8%的浓缩液，多糖回收率达82.7%。在0.1Mpa下将O．5%的料液浓缩至2.95%，浓度提高4.9倍。在分离发酵液中残余的培养基组分(包括糖、含氮物质、无机盐等)的同时，浓缩澄清纯化了多糖。

果胶是一种由半乳糖醛酸组成的高分子物质，在食品工业上用作胶凝剂，增稠剂等，市场需求量很大。目前，生产工艺主要以柑橘皮等为原料，以稀酸提取，提取液中含大量对胶凝度无贡献的有机酸、酚、皮油及色素。后续处理任务繁重，成本高，产品色深．周仲实采用超滤膜装置对提取液进行处理，初步浓缩