膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

羅世龍 張中 韓坤坤

摘要 膜分離技術(shù)是一種新型的分離凈化技術(shù)，具有環(huán)境友好、低耗節(jié)能、操作簡便、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，極具發(fā)展?jié)摿Γ找媸艿窖芯空邆兊年P(guān)注和重視。膜分離技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在常溫操作下對物質(zhì)進(jìn)行高效分離，可保持被分離物質(zhì)原有的性質(zhì)、生理活性和功效成分，在食品工業(yè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。對膜分離技術(shù)的原理、特點(diǎn)及其在油脂加工、乳制品、調(diào)味品、功能性成分及食品加工廢水等食品工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，并就其發(fā)展應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞 膜分離技術(shù);原理;特點(diǎn);食品工業(yè);應(yīng)用研究

Abstract Membrane separation technology is a new separation and purification technology，which has the advantages of environmental friendliness，low energy consumption，simple operation and high degree of automation.It has great potential for development and has been paid more and more attention by researchers.Membrane separation technology can achieve high-efficiency separation of substances at room temperature，and maintain the original properties，physiological activities and functional components of the separated substances.It has been widely used in food industry.In this paper，the principle and characteristics of membrane separation technology and its application in food industry such as oil processing，dairy products，condiments，functional components and food processing wastewater were reviewed，and its development and application prospects were prospected.

Key words Membrane separation technology;Principle;Characteristics;Food industry;Application research

膜分離技術(shù)是一種新興的學(xué)科技術(shù)。1748年法國科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)動物膜，1960年Lobe和Sourirajan制備出高性能非對稱的乙酸纖維素反滲透膜，并首次用于海水的淡化，膜分離技術(shù)的研究逐步由實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)展到工業(yè)應(yīng)用范圍[1]。隨著高分子材料科學(xué)的迅猛發(fā)展，膜技術(shù)被譽(yù)為20世紀(jì)末至21世紀(jì)中期最有發(fā)展前途、甚至可能將引起一次工業(yè)革命的重大生產(chǎn)技術(shù)。我國已經(jīng)成為世界膜技術(shù)發(fā)展最活躍、膜工業(yè)增長最快、膜應(yīng)用市場最大的地區(qū)之一，但在核心膜材料的研發(fā)與生產(chǎn)方面，與國際先進(jìn)水平相比還有較大差距，高端膜材料基本依賴進(jìn)口[2]。該研究主要對膜分離技術(shù)的原理和特點(diǎn)進(jìn)行簡要介紹，并對膜分離技術(shù)在糧油、乳制品、果蔬產(chǎn)品、調(diào)味品、功能性成分及食品加工廢水等食品工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，并就其發(fā)展應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1 膜分離技術(shù)的原理

膜分離技術(shù)主要是利用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化學(xué)位差為推動力對液液、氣氣、液固、氣固等體系中的不同組分進(jìn)行分離、純化、富集的一項(xiàng)新技術(shù)[3]。膜材料的研制方法、膜分離過程的研究及膜技術(shù)的應(yīng)用種類多種多樣，但在工業(yè)上膜分離技術(shù)一般可分為微濾、超濾、納濾和反滲透等。分離類型不同，其作用機(jī)理也不盡相同，不同的分離技術(shù)雖各具優(yōu)勢和特點(diǎn)，但其基本原理都是以高分子膜的選擇透過性為基礎(chǔ)，以濃度差、壓力梯度或電勢梯度作為推動力，在膜相際之間進(jìn)行傳質(zhì)，從而達(dá)到不同組分的分離、純化的目的[4-5]。

2 膜分離技術(shù)的特點(diǎn)

對各種膜分離技術(shù)過程進(jìn)行考察，總結(jié)現(xiàn)代膜分離技術(shù)特點(diǎn)為：在常溫下即可進(jìn)行，對于熱敏性物質(zhì)的分離、分級、提純和濃縮有較大的優(yōu)勢，同時(shí)對于物質(zhì)本身的色澤香味影響較小;在物質(zhì)分離過程中沒有相變的改變，不會產(chǎn)生二次污染，能量消耗相對較低，分離效率高，還具有冷殺菌的潛勢[6];應(yīng)用范圍廣泛，對于特殊溶液體系的分離同樣適用;大多采用壓力作為推動力，裝置相對簡單，容易操作，自動控制，故障處理方便。膜分離過程在一個(gè)閉合回路中運(yùn)行，外界影響小[7]。

3 膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

食品工業(yè)與其他工業(yè)的加工形式有較大區(qū)別，食品工業(yè)食品安全等級要求高，加工過程需盡可能保持原材料的營養(yǎng)元素，減少有害物質(zhì)產(chǎn)生，減少外來因素對加工過程的不利影響。成熟的膜材料及分離技術(shù)因其常溫進(jìn)行無需高溫、無相變反應(yīng)、能耗低等優(yōu)勢，可滿足食品工業(yè)的要求，在食品工業(yè)中有較為廣泛的應(yīng)用[8]。

3.1 在油脂加工中的應(yīng)用

膜分離技術(shù)在植物油脂精煉的脫膠、脫酸、脫色等工藝中均有應(yīng)用，根據(jù)膜材料的截留性可制備大豆?jié)饪s磷脂、大豆分離蛋白和多肽等，某些制備條件苛刻的特種油料及副產(chǎn)物也可采用膜分離技術(shù)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。

3.1.1 植物油脂精煉工藝過程。

陳佳丹[9]以醋酸纖維素（CA）、聚砜（PS）為原料研究制備醋酸纖維素超濾膜、聚砜超濾膜和PS/CA共混超濾膜，并進(jìn)行菜籽油脫膠，其脫膠率分別可達(dá)88.2%、89.9%和88.7%;孫海燕[10]制備了聚砜（PS）/SiO2雜化平板超濾膜并將其應(yīng)用于菜籽油的脫色處理，提出了膜法油脂脫色新工藝;孫艷芝[11]針對正己烷/大豆油混合物體系的特性，制備出了耐有機(jī)溶劑、耐油、分離性能優(yōu)良且具有長期操作穩(wěn)定性的膜材料。

3.1.2 特種油脂制備。

郭雄[12]以橡膠籽仁為原料，研究超濾膜法進(jìn)行橡膠籽毛油脫膠及蛋白制備的工藝方法，其橡膠籽毛油脫膠最佳工藝條件為膜孔徑10 kDa、混合液中油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%、操作壓力0.23 MPa，此條件下磷脂的截留率可達(dá)96.51%。超濾膜法制備橡膠籽蛋白的清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白的截留率分別可達(dá)97.16%、99.09%、97.01%和97.01%;李猷[13]以10 000 Da截留分子量的無機(jī)陶瓷膜為膜材料，采用生物法耦合膜技術(shù)進(jìn)行茶籽油提取，得到了質(zhì)量符合一級壓榨成品茶籽油國家標(biāo)準(zhǔn)的茶籽油產(chǎn)品，但其提取率有待提高，其提取條件為進(jìn)口壓力2.0 MPa、出口壓力1.0 MPa、流量65 L/min、溫度90～95 ℃、提取油脂的磷脂含量1.53 mg/kg，酸價(jià)為0.39 mg/g;劉紅波等[14]利用膜分離技術(shù)對沙棘籽油進(jìn)行精制并考察其適用性，研究發(fā)現(xiàn)分子量30 000 Da 的超濾膜適合于沙棘籽油的精制，其磷脂的截留率可達(dá)90%以上，并能在一定程度上降低沙棘籽油的酸值和皂化值，提高其穩(wěn)定性。

3.1.3 油料副產(chǎn)物制備。

劉方波[15]采用無機(jī)膜分離技術(shù)，以飼料級濃縮磷脂為原料，針對磷脂工業(yè)化生產(chǎn)中的脫雜、脫色、脫溶、脫油等問題，進(jìn)行高品質(zhì)磷脂產(chǎn)品開發(fā)，建立了高效膜法生產(chǎn)高品質(zhì)食品級濃縮磷脂和粉末磷脂的技術(shù);李丹[16]利用微濾和納濾技術(shù)分離純化棉籽蛋白酶解液中的多肽，棉籽蛋白多肽經(jīng)微濾除雜后，純度可從86.3%提高至91.3%;對棉籽蛋白透過液進(jìn)行納濾，得到的最優(yōu)納濾條件為跨膜壓差1.2 MPa、濃縮倍數(shù)為8倍左右、溫度50 ℃，此條件下無機(jī)鹽和多肽的截留率分別為70%和90%。

3.2 在乳制品中的應(yīng)用

膜分離技術(shù)可以進(jìn)行細(xì)菌及孢子直徑范圍內(nèi)的截留，實(shí)現(xiàn)對乳制品的冷滅菌，具有受熱強(qiáng)度低、營養(yǎng)保留度高等優(yōu)點(diǎn)，可在分離、蒸發(fā)或萃取等工段上替代傳統(tǒng)的乳品工藝[17-18]。

房天琪[19]利用膜分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低脂酸奶的制備，其從乳清中直接分離制備得到熱聚合液態(tài)的濃縮乳清蛋白（PLWP），用作脂肪替代物。劉選東[20]通過膜分離技術(shù)對牛乳乳糖進(jìn)行高效脫除制備出低乳糖牛乳，通過膜元件參數(shù)篩選，在不同工藝參數(shù)下進(jìn)行超濾、納濾膜分離優(yōu)化，在最優(yōu)條件下超濾乳糖脫除率可達(dá)80%，納濾乳糖截留率可達(dá)81.5%。孔凡丕[21]采用孔徑1.4 μm陶瓷微濾膜對原料乳進(jìn)行微濾處理制備出UHT乳和低熱乳粉，并對乳中體細(xì)胞、微生物及耐熱性酶類的變化情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在低熱乳粉的生產(chǎn)中，可以利用微濾除菌代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低熱處理。楊寶雨[22]采用微濾工藝比較研究了不同膜孔徑下脫脂羊乳中乳蛋白的分離效果以及全脂羊乳中乳糖和其他組分的分離效果，制備的無乳糖羊奶中乳糖含量為0.18%，蛋白質(zhì)含量為9.95%，脂肪含量為10.44%，鈣含量為973.3 mg/L，固形物含量為23.16%。

3.3 在調(diào)味品中的應(yīng)用

膜分離技術(shù)采用無相變的高效、節(jié)能的膜材料，在調(diào)味品加工中可用于成分提取和物質(zhì)澄清等，相應(yīng)的研究和應(yīng)用越來越多。魯珍[23]結(jié)合酶解和膜分離技術(shù)，以繅絲蠶蛹為原料制備呈味肽和呈味基料，在最佳工藝條件得到酶解液的基礎(chǔ)上，采用截留分子量為1 kDa的超濾膜進(jìn)行超濾時(shí)，截留液的鮮味及醇厚感最強(qiáng)。董玲燕[24]以醬油渣為原料，利用溶劑萃取法提取大豆異黃酮后，采用20 kDa超濾膜進(jìn)行分離純化，除色效果較佳。夏軍[25]采用純碳化硅超濾膜過濾用于黃酒的除菌，在不升溫情況下實(shí)現(xiàn)了對致病菌的完全去除，改善了黃酒的保鮮問題，膜過濾后的澄清酒液中的總糖、總酸、酒精度、γ-氨基丁酸和兒茶素等功效成分、乙酸乙酯和正丙醇等風(fēng)味物質(zhì)與原酒液相比含量變化極小。

3.4 在功能性成分提取上的應(yīng)用

膜分離技術(shù)具有常溫操作和高效節(jié)能等優(yōu)勢，在食品功能性成分的提取上得到了一定程度的應(yīng)用。Nair等[26]采用膜技術(shù)從整蝦、蝦頭或加工廢水中提取出了富含蝦青素的蝦油。徐龍生[27]以低檔的烏龍茶為試驗(yàn)材料，采用多級膜過濾探索茶多酚的提純與濃縮工藝，考察了超濾、納濾和正滲透對茶多酚提純與濃縮效果的影響。吳劉健[28]分別采用3 500 Da超濾膜和150 Da納濾膜進(jìn)行大蒜素的膜分離純化工藝研究，超濾膜分離產(chǎn)品的大蒜素含量和得率分別為5.8%和0.17%，納濾膜分離產(chǎn)品的大蒜素含量和得率分別為13.4%和0.17%，大蒜素透過率達(dá)90%以上。王麗萍[29]采用超濾膜技術(shù)對草魚皮膠原蛋白提純過程進(jìn)行研究，選用聚偏氟乙烯和聚砜為膜材料制備出截留分子量不同的PS超濾膜，實(shí)現(xiàn)了對魚皮膠原蛋白的逐級分離。Chen等[30-33]采用陶瓷納濾膜對低聚果糖進(jìn)行提純，分別研究制備了Al2O3和ZrO2等陶瓷納濾膜，對果糖、葡萄糖、蔗糖、果三糖、果四糖和果五糖等均實(shí)現(xiàn)了一定程度的截留。

3.5 在食品加工廢水中的應(yīng)用

食品工業(yè)加工產(chǎn)生的廢水中一般含有較高濃度的蛋白質(zhì)和糖類等成分，有機(jī)物質(zhì)含量較高，可根據(jù)物質(zhì)成分的不同選擇不同膜分離技術(shù)對廢水進(jìn)行處理，并對有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行回收和利用[34-36]。趙芳[37]以聚合氯化鋁鐵（PAFC）為材料，采用膜分離技術(shù)對泡菜廢水的處理進(jìn)行研究，在最優(yōu)條件下總磷（TP）、COD和氨氮（NH3-N）的去除率分別可達(dá)92.5%、83.9%和47.0%。林龍[38]采用絮凝沉淀結(jié)合微濾-納濾膜分離技術(shù)，建立了從鳀魚蒸煮液分離氨基酸和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的方法，氨基酸和蛋白質(zhì)的回收率分別可達(dá)70.74%和46.64%。張博[39]采用反滲透膜工藝對不同的農(nóng)副產(chǎn)品加工廢水處理進(jìn)行研究，取得了較好的效果，肉類加工廢水和乳制品廢水的出水COD、總磷和出水硬度去除率均達(dá)到90%以上，水質(zhì)符合回用水標(biāo)準(zhǔn)。丁赫[40]采用膜分離技術(shù)對蒜片加工廢水的處理進(jìn)行研究，建立的廢水超濾凈化處理系統(tǒng)可將不同規(guī)格的超濾膜串聯(lián)，廢水的糖濃度、COD、BOD和濁度的下降幅度分別可達(dá)99.6%、99.7%、99.8%和100%，實(shí)現(xiàn)了廢水排放符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)還可對廢水中的資源物質(zhì)進(jìn)行有效提取利用。

4 前景與展望

在食品工業(yè)中，隨著對高產(chǎn)品質(zhì)量和低生產(chǎn)成本要求的不斷提高，具有常溫操作、能耗低、環(huán)境友好、分離效率高等優(yōu)點(diǎn)的膜分離技術(shù)越來越受到生產(chǎn)者和研究者的關(guān)注，膜分離技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用逐漸成為研究的熱點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場潛力，未來將可能取代傳統(tǒng)的低效分離技術(shù)。膜分離技術(shù)雖然在食品工業(yè)中有了一定程度的應(yīng)用，但作為一門相對較新的技術(shù)，其仍有一些亟待解決的關(guān)鍵問題，在膜的選擇性上，需要開發(fā)出功能高分子膜材料和無機(jī)膜材料;在膜滲透的抗污染性和膜過程強(qiáng)化上，還存在著膜通量的穩(wěn)定性不高和產(chǎn)值比的問題。此外，膜分離技術(shù)還較為普遍地存在著膜孔易堵塞、膜表面黏性附層等膜污染問題，如何有效地降低膜污染和延長膜壽命，還需要針對性地進(jìn)行研究。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，膜分離過程的技術(shù)研究會不斷深入，新型高效的膜材料將不斷被開發(fā)出來，在膜分離技術(shù)的逐漸完善過程中，其在食品工業(yè)中的應(yīng)用將更加廣泛。

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