膜分離技術(shù)在食品飲料行業(yè)中的應(yīng)用

趙文峻

(杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018)

引言：膜分離技術(shù)是一門新的技術(shù)種類，具有綜合多個(gè)學(xué)科如濃縮、澄清、提取、除菌等等的功能，整個(gè)分離過(guò)程中無(wú)變相、無(wú)加熱，可充分的保證熱敏性物質(zhì)的活性，并具有高效、環(huán)保及操作簡(jiǎn)單、易于控制等特點(diǎn)，已是當(dāng)今分離學(xué)科中的最為重要的技術(shù)之一。在食品飲料行業(yè)中，膜分離技術(shù)不僅用于各類水產(chǎn)品的生產(chǎn)和食品飲料生產(chǎn)工藝用水的處理，還廣泛用于酒類、果蔬汁、牛奶和乳制品、茶和茶粉等等產(chǎn)品的生產(chǎn)中。

1 膜分離技術(shù)應(yīng)用于食品飲料行業(yè)中的優(yōu)勢(shì)

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，膜分離技術(shù)應(yīng)用范圍已經(jīng)非常的廣泛，尤其是在食品飲料行業(yè)中，地位更是無(wú)可取代。這是因?yàn)楝F(xiàn)代膜分離技術(shù)具有無(wú)變相、無(wú)加熱、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)：

1.1 無(wú)變相過(guò)程。膜可定義為兩相之間的一個(gè)不連續(xù)區(qū)間，借助于某種推動(dòng)力，在膜相隔的兩相之間進(jìn)行物質(zhì)傳遞。因此，膜分離技術(shù)在整個(gè)的分離過(guò)程中不會(huì)發(fā)生相的變化，相對(duì)與其他的分離技術(shù)來(lái)說(shuō)，膜分離技術(shù)就顯得更加的節(jié)能環(huán)保。能源問(wèn)題在今天已經(jīng)是一個(gè)非常突出的問(wèn)題，所以膜分離技術(shù)已經(jīng)引起了相關(guān)行業(yè)的高度重視。

1.2 無(wú)加熱過(guò)程。膜分離的整個(gè)過(guò)程利用了推動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的原理,整個(gè)的分離過(guò)程是在常溫下進(jìn)行的,因此，不會(huì)影響到如酶、果汁等熱敏物質(zhì)的活性，所以尤其適合熱敏物質(zhì)的濃縮、分離、精制等。同時(shí)，相對(duì)于蒸餾等傳統(tǒng)工藝，處理效率高。

1.3 應(yīng)用范圍廣泛。膜的類別很多，按分離介質(zhì)不同，可分為氣體膜和液體膜；按驅(qū)動(dòng)力不同，可分為壓力驅(qū)動(dòng)膜和電勢(shì)差驅(qū)動(dòng)膜；按膜材料不同，可分為有機(jī)膜和無(wú)機(jī)膜；按膜體結(jié)構(gòu)形式的區(qū)別不同，可分為多孔膜與致密膜。由此，膜分離技術(shù)適合使用的范圍非常的廣泛，從微粒至微生物菌體，甚至是離子級(jí)的物質(zhì)都可以進(jìn)行分離，其關(guān)鍵是選擇不同的膜類型。

1.4 操作控制簡(jiǎn)單。膜分離技術(shù)只需壓力差或電勢(shì)差做為推動(dòng)力，因此所采用的技術(shù)設(shè)備操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，模塊化，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高。同時(shí)，減少化學(xué)藥劑的使用，減少化學(xué)污染的可能性，食品安全性高。

基于以上分析的膜分離技術(shù)的特點(diǎn)，及食品飲料行業(yè)的特殊性，膜分離技術(shù)受到了食品飲料行業(yè)的特別關(guān)注。

2 膜分離技術(shù)在食品飲料行業(yè)中的應(yīng)用

在食品飲料行業(yè)中常用的膜分離技術(shù)有：反滲透（RO）、納濾（NF）、超濾（UF）、微孔過(guò)濾（MF）和電滲析（ED或 EDI）。這些膜組件的處理范圍不同，以滿足食品飲料工藝的不同需求：

表1 各類膜組件的處理范圍

2.1 膜分離技術(shù)在食品飲料凈水處理中的應(yīng)用。

水是人體必需的物質(zhì)，是飲料產(chǎn)品最基本的原料。而水源污染是當(dāng)今世界范圍所面臨的普遍問(wèn)題，尤其是富營(yíng)養(yǎng)化污染、工業(yè)有機(jī)物污染和重金屬污染，使我們的水源水不能直接飲用。水處理則是對(duì)水質(zhì)成分的變革。膜分離技術(shù)以它特有的優(yōu)勢(shì)，在水處理中占據(jù)了越來(lái)越重要的地位，尤其是采用模塊化設(shè)計(jì)的特性，可搭配不同的預(yù)處理系統(tǒng)，依不同地區(qū)、不同水質(zhì)條件需求設(shè)計(jì)，讓膜工藝可與傳統(tǒng)處理工藝互相協(xié)調(diào)運(yùn)行，彌補(bǔ)傳統(tǒng)水處理工藝的不足。

膜工藝在水處理中應(yīng)用的基本原理是：利用原水中的水分子具有透過(guò)分離膜的能力，而溶質(zhì)或其他雜質(zhì)不能透過(guò)分離膜，在外力的作用下，對(duì)水進(jìn)行分離、提純、濃縮，以達(dá)到提高水質(zhì)的目的。不同的膜適用于不同的分子段，以滿足不同的精度要求：

微濾膜屬均勻多孔類型膜，孔徑范圍約為0.01um～10.0um，過(guò)濾原理屬于篩網(wǎng)過(guò)濾，能夠截留所有比網(wǎng)孔大的顆粒、纖維和懸浮物。相對(duì)精度的微孔濾膜常用于水處理的預(yù)處理，而絕對(duì)精度的微孔濾膜則用于終端處理。

超濾是在壓力推動(dòng)下進(jìn)行的篩孔分離過(guò)程，介于微濾和納濾之間。超濾膜多數(shù)為相轉(zhuǎn)化法制備的非對(duì)稱膜，如常用的中空纖維膜，膜呈毛細(xì)管狀，微孔位于管壁上，溶液以其組份能否通過(guò)這些微孔來(lái)達(dá)到分離的目的。超濾可截留顆粒物質(zhì)、細(xì)菌和部分有機(jī)物，在凈水處理中，常用于礦泉水的生產(chǎn)。近年來(lái)，在全膜法水處理工藝中，也用于反滲透的預(yù)處理。

表2 微生物學(xué)中常用的濾膜孔徑及用途濾膜孔徑(μm)

納濾是介于反滲透與超濾之間的壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程"。納濾膜能使90%以上的NaCl透析，而對(duì) Ca2+、Mg2+、SO42-的脫除率高達(dá)96%，總脫鹽率可達(dá)到81%,可以有效降低水的硬度，脫除水中重金屬離子、SS、病毒及農(nóng)藥等危害人體的化學(xué)物質(zhì)。納濾膜操作壓力低，在高鹽度和低壓條件下具有較高滲透通量，出水水質(zhì)安全穩(wěn)定，因此非常適合用于海水、苦咸水等高鹽水質(zhì)的軟化脫鹽處理。

反滲透膜孔徑小至納米級(jí)，它能分離20納米以下的微粒。在一定的壓力下，H2O分子可以通過(guò)RO膜，水中的無(wú)機(jī)鹽、重金屬離子、有機(jī)物、膠體、細(xì)菌、病毒等雜質(zhì)則無(wú)法通過(guò)。反滲透膜是具有選擇性的均相聚合膜，具有較高的單位膜面積透水速度和脫鹽性能，物理和化學(xué)穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度好。從90年代起，反滲透膜在工業(yè)凈水處理的深度處理中得到普及，目前，所有的純凈水和大部分飲料企業(yè)的純水處理，采用的都是反滲透和兩級(jí)反滲透工藝。

2.2 膜分離技術(shù)在果蔬汁澄清處理中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的果蔬汁澄清處理方法有自然沉降、離心分離、活性炭色素、板框過(guò)濾法以及酶處理法等，都存在有不同的缺點(diǎn)。將膜分離技術(shù)應(yīng)用于果蔬汁等飲料的澄清時(shí)，可在分離產(chǎn)生的渾濁組分的同時(shí)，進(jìn)行澄清處理。由于膜分離技術(shù)無(wú)加熱、無(wú)變相等特點(diǎn)，可以保存全有風(fēng)味，同時(shí)最有高效特點(diǎn)。利用膜分離技術(shù)處理甘蔗汁、蘋果汁等果汁，分離澄清的效果非常顯著。

表3 反滲透膜濃縮與真空濃縮比較表

2.3 膜分離技術(shù)在茶飲料濃縮處理中的應(yīng)用。膜分離技術(shù)濃縮茶汁，采用超濾+反滲透的工藝，避免了其它濃縮法的高溫、相變,而超濾則可以解決沉淀混濁及冷后渾現(xiàn)象,同時(shí)又為反滲透膜濃縮作準(zhǔn)備,去除了茶汁中的大分子,如蛋白質(zhì)等。超濾后茶汁濁度接近于零,對(duì)保持茶的香氣、滋味、色澤有直接影響。而反滲透膜濃縮與真空濃縮相比有其無(wú)法比擬的優(yōu)越性，運(yùn)行成本低，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高：

2.4 膜分離技術(shù)在奶制品生產(chǎn)中的應(yīng)用。在牛奶生產(chǎn)中，膜分離技術(shù)可用于脫脂除菌和濃縮大分子酪蛋白物質(zhì)。牛奶中的細(xì)菌尺寸一般大于0.2μm，而脂肪粒的尺寸在0.1～2μm之間，因此采用微濾膜可以去除牛奶中的細(xì)菌。對(duì)于脫脂奶，在微濾除菌前后其品質(zhì)變化不大。在全奶的研究中發(fā)現(xiàn)，采用1.8μm的氧化鋁膜進(jìn)行微濾，可以使細(xì)菌數(shù)下降兩倍，同時(shí)有98%的脂肪被去除，而蛋白質(zhì)則較好的被保留在過(guò)濾后的牛奶中。

膜分離技術(shù)在奶酪生產(chǎn)中，可用于制備高蛋白含量(>20%～22%)的液態(tài)奶酪，作為制備軟或半硬奶酪的原料。采用超濾膜，脂肪、蛋白質(zhì)留在濃縮液中，而乳糖、溶解蛋白、礦物質(zhì)和其他微量成分留在乳清液中，使蛋白質(zhì)與脂肪的比例達(dá)到奶酪的正常水平，成為液態(tài)標(biāo)準(zhǔn)乳酪。實(shí)際證明，用超濾法生產(chǎn)奶酪，使奶酪產(chǎn)量增加10%～30%，降低凝乳酶用量70%～85%，且能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)化和自動(dòng)化。同時(shí)，脫脂乳或全乳乳酸發(fā)酵生產(chǎn)新鮮奶酪的過(guò)程中，需要將含有乳糖和無(wú)機(jī)物的水溶液相從發(fā)酵后的酸奶體系中分開，而全部蛋白質(zhì)和脂肪保留在截留液中。傳統(tǒng)上使用蒸發(fā)濃縮法或離心分離法，不但能耗較高，且會(huì)破壞牛奶中的某些熱敏性成份，影響產(chǎn)品質(zhì)量。國(guó)外已經(jīng)采用超濾和反滲透膜技術(shù)，替代蒸發(fā)濃縮或離心分離工藝，可生產(chǎn)出品質(zhì)令人滿意的奶酪及甜酸奶。

2.5 膜分離技術(shù)在其他食品生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用。果膠是一種高分子物質(zhì)，主要由半乳糖醛酸組成，主要作膠凝劑、增稠劑等使用，具有很大的市場(chǎng)需求量。目前果膠基本上以柑橘皮等作為主要原料，采用稀酸進(jìn)行成分提取，提取液中含有大量的有機(jī)酸、酚、皮油及色素等，這些物質(zhì)對(duì)凝液并沒(méi)有作用，并且后期處理復(fù)雜，成本較高等。采用膜分離技術(shù)進(jìn)行提取液的處理，可以有效的去除大量的無(wú)用雜質(zhì)，脫去大量的酸以及無(wú)機(jī)離子，干燥提取液后可得高品質(zhì)果膠，并且大大降低生產(chǎn)成本。酶是一種催化劑，具有高效、專一、活性可以調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于制糖、啤酒發(fā)酵、飲料加工、水果蔬菜加工等方面。凝膠過(guò)濾法、疏水層析法、親水層析法、高效液相層析等都是比較常用的酶提取方法，主要存在著分辨率過(guò)低、不適于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)等方面的缺點(diǎn)，而使用膜分離技術(shù)進(jìn)行酶成分的提取，則可以避免這些產(chǎn)生缺陷。

目前，膜分離技術(shù)還廣泛應(yīng)用于酒類加工和農(nóng)產(chǎn)品深加工等領(lǐng)域中，解決了傳統(tǒng)工藝中存在的難題，使產(chǎn)品分離精度極大提高，提升了產(chǎn)品的品質(zhì)。

結(jié)語(yǔ)。食品飲料產(chǎn)業(yè)是我國(guó)的主要產(chǎn)業(yè)之一，其發(fā)展直接關(guān)系到了人們生活質(zhì)量的提高。膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)分離技術(shù)相比，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，所以在各國(guó)的食品行業(yè)中受到了非常廣泛的應(yīng)用，其發(fā)展前景也是非常廣闊，隨著新型膜材料及技術(shù)的不斷發(fā)展，膜分離技術(shù)在食品飲料行業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

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