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膜分离技术在食品加工中的应用

在崇尚回归自然的今天,天然制品日益受到人们的欢迎,然而许多来自天然的原料在传统的加工过程中不可避免地受到高温作用,或化学处理,致使热敏性的营养素受到破坏或残留有害化学物质,使其经过加工后往往失去了天然性。因此,采用膜分离技术改进天然产物的提取和加工方法是保证天然制品品质极其重要的环节。本文就膜分离原理和膜分离技术在食品工业中的应用做一简单介绍。
 
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。
 
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。
 
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0.45μm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。
 
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,醇不溶性物质可去除38%-70%,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。
 
2 浓缩和纯化
 
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。
 
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。通过采用超滤膜装置对提取液进行处理,初步浓缩除去大部分对胶凝度无贡献的杂质后,再经电渗析(ED)脱去大部分盐酸和无机离子,所得提取液可直接干燥获得高品质的果胶,且大幅降低了生产成本。
 
初乳是母体分娩后一周内分泌的乳汁,富含多功能因子,如免疫球蛋白、乳铁蛋白、各种生长因子等,其中乳铁蛋白具有许多独特的生理调节功能。通过采用超滤法得到5倍浓缩倍数的乳铁蛋白和免疫球蛋白截留物。目前超滤法是生产食品级乳铁蛋白的最具工业化前景的方法之一。
 
超滤在乳品工业中的另一重要应用是乳蛋白的浓缩。通过全过滤(即不断地在截留液中加水重复过滤)可最大程度地去除乳糖和灰分,制取高蛋白含量的浓缩乳蛋白(蛋白含量>85%)。此项技术还应用于生产高蛋白含量的脱脂奶粉和脱盐、脱乳糖的乳清粉。还可将超滤和电渗析结合起来生产乳清蛋白浓缩物。
 
膜分离技术也带来了乳清产品的迅猛发展。用超滤处理乳清,提高了产品中蛋白质含量,使其质量得到了根本改善。此技术现已在美国、新西兰、澳大利亚和法国等广泛应用。目前,国外乳清蛋白粉的产量在乳品工业中占有相当大的比重,用超滤回收并浓缩乳清中的蛋白质,可获得蛋白质含量在35%-85%的乳清蛋白质粉,用无机超滤膜浓缩乳清蛋白制得蛋白粉的技术也正在研究之中。除此之外,还广泛用于乳清制品加工,如脱盐、脱乳糖的乳清粉。
 
国外目前还正在研究将各种膜分离技术和色谱方法及化学处理、酶处理结合起来,从乳蛋白中分离β-酪蛋白、α-乳清蛋白及免疫球蛋白的工作。
 
3 食品分析
 
食品中的某些组分含量甚微,不论是对人体有益还是有害,都需监控其含量。利用膜技术可将微量甚至痕迹量的组分富集在特定的滤膜上,再选用合适的分析方法进行分析检测,可大大提高检测灵敏度。
 
锰(II)与二溴羟基苯基荧光酮和溴化十六烷基三甲胺形成配合物,通过微滤膜富集,用二甲亚砜将滤膜及配合物溶解,在分光光度计上测定吸光度是一种快速富集测定锰的方法。
 
Amberlyst-26(A-26)是一种强碱性阴离子交换树脂,尤其适用于分析非水溶性的物质。1983年,有学者将A-26树脂应用于分析乳制品中的游离脂肪酸,随后国内广泛用于分析肉及肉制品中的游离脂肪酸,获得良好效果。腊肉加工过程中脂解产生的游离脂肪酸对产品的品质和风味有重要影响。针对腊肉加工过程中游离脂肪酸的变化,用A-26离子交换树脂与游离脂肪酸发生交换,再将纯化的游离脂肪酸甲酯后进行气谱分析,准确度、精密度好,是一种简单可靠的方法。
 
4 除菌
 
传统的食品饮料杀菌方法为巴氏杀菌和高温瞬时杀菌,操作繁琐,残留细菌多,高温易造成热敏物质失活和产品口味营养的破坏。用微滤技术取而代之,孔径为纳米级的微滤膜足以阻止微生物通过,从而在分离的同时达到"冷杀菌"的效果。
 
在鲜啤酒生产过程中采用微滤膜常温下处理用水及发酵液,可有效去除水中的大肠杆菌和谷类杂菌,有效去除发酵液中的污染微生物和残留的酵母菌。有人采用孔径为0.5μm陶瓷膜处理除菌率达100%,色截留率仅为3%。
 
在牛奶及果酒的除菌过滤中,采用膜孔径为1-1.5m的微孔陶瓷膜脱除低脂牛奶中细菌,效率达99.6%,滤速达500-700L/m2?h,产品在低温下的保存期由未处理前的6-8天延长至16-21天。
 
5 酶的提取
 
酶是一种高效、专一、活性可以调节的催化剂,在食品工业中广泛用于制糖工业、啤酒发酵、蛋白制品加工、水果蔬菜加工、肉类鱼类加工、食品保藏等方面。常用的提取方法有凝胶过滤法、疏水层析法、亲水层析法、高效液相层析等,存在着或分辨率过低,或不适于工业化连续生产等缺陷,而利用膜分离技术可以很好地解决这些困难。
 
生姜蛋白酶对猪肉、牛肉有良好的嫩化效果,对啤酒、红葡萄酒亦有良好的澄清效果。传统的生姜蛋白酶的提取方法很多,但成本高、产量低、操作繁琐,不适于工业化大规模生产。而利用超滤技术提取生姜蛋白酶的新工艺(海口立升饮料公司提供的LSL型科研超滤机)产品品质好,纯度高,成本低。
 
 
6 酶膜反应器
 
大多数化学反应都是可逆的,使用传统的反应器无法突破平衡转化率的限制。在膜反应器中,利用膜的选择透过性可连续脱除某一产物组分,使化学平衡向有利于产物的方向转化。提高可逆反应的产率,减少未反应物的循环量,有可能使反应、产物分离、净化等几个单元操作在一个膜反应器中进行,有可能使反应在较低温度下进行。而酶是高效专一的催化剂,在生物转化中起到重要作用。将酶固定在膜上,集合成酶膜反应器。集催化反应、产物分离、提纯等于一体,既提高反应物的转化率、酶的利用率,又利于连续化生产。
 
 
7 其他方面的应用
 
膜分离技术在食品工业中还广泛用于制取纯净水和生产废水的处理。如近年来绝大多数矿泉水生产厂家均采用超滤或微滤技术除菌、除胶体、除絮凝物质和颗粒等。广东太阳神集团、海南杏仁露饮料公司、天津武清饮料厂及各啤酒厂等都应用反渗透或电渗析制备纯水配兑饮料,大大改善了产品质量。研究人员分别采用低压纳滤及二级反渗透系统对牛奶工业废水进行处理。纳滤的COD去除率达98%,电导率可削减98%以上,Cr、Pb、Ni、Cd等有毒重金属离子的去除率均达100%;而二级反渗透系统对COD、电导率和悬浮固体的去除率均在99%以上,成功实现了废水的再生与回用。另外膜技术在原料液中除气、弃液中产品回收方面均有应用价值。
 
同时,膜分离技术的一种--全蒸发(通过膜的扩散蒸发)技术也被用于化学、食品材料、工业制药等方面。它是一种液体混合物的分离的过程,在液体中伴随着水蒸汽的分压,初始溶解物从膜的外表面渗入膜分子的内表面与之接触。膜的选择层调整分离液系统的平衡常数。因此,全蒸发被认为是一种膜扮演着第三成分的提纯蒸馏过程。然面,在全蒸发过程中,混合液的分离不仅基于蒸发液系统的平衡常数,在蒸馏中,也取决于溶解系数的差异和混合物成分的扩散率。虽然这一技术目前还没完全弄清楚,但是它与膜蒸馏、透析和电渗析都有着重要的地位。
 
由于膜分离技术的广泛应用,所以分离所用的膜的清洗显的格外重要。在实践中,有效的膜清洗主要涉及到以下几个方面:去垢剂的种类和组成,清洗的持续时间、清洗的顺序以及物理操作参数。
 
三、膜分离技术的前景
 
综上所述,膜分离技术在食品加工领域中的应用日益广泛,利用膜技术生产的食品有其明显的优势。但需要改进的地方还很多,其中最主要的是膜性能和膜装置的改进。膜性能的改善包括以下四个方面:①开发透过率高、选择性强的膜;②开发不易发生污染的膜;③开发用简单的清洗方法即可清除污染的膜和膜装置以及具有全自动反冲洗装置的膜分离系统;④开发用简单的热蒸汽杀菌即可杀菌的膜和膜装置;⑤膜清洗和保护技术;⑥开发新的超薄膜,甚至是单分子膜,以实现低压下的高透过率。
新型的膜分离技术目前大部分处于实验室规模,各国对膜技术的研究和开发投入了大量的人力物力,研究开发所用经费高达产值的6%~9%。膜技术是当代国际上公认的最具有经济效益和社会效益的高新技术之一,虽然分离膜存在一些缺点,但其优势非常明显。为了提高产品附加值及开发新产品而采用膜分离技术是食品加工的发展方向之一,膜分离技术一旦实现大规模的工业应用,将会引起工业生产的重大革新。李振 河北农业大学

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