超滤技术在食品及发酵工业中的应用1.doc

超滤技术在食品及发酵工业中的应用摘要: 超滤是一种新型膜分离技术, 近几十年年来发展十分迅速。本文介绍了超滤技术的基本原理、及其在食品及发酵工业中的应用, 并对其应用前景作了展望。关键词: 超滤； 膜技术； 超滤是20 世纪60 年代兴起的一项新技术，是膜分离技术之一。一般凡是能截留相对分子量约500 以上高分子的膜分离过程称为超滤。超滤主要依赖于被分离物质分子的大小、形状和性质不同。它操作简便，成本低廉，分离效率高，且不引起温度、离子状态及相的变化，但需要外加压力。近来广泛用于生物制品、食品和制药工业、三废处理及其他浓缩、脱盐及分级分离过程，特别是分离一些分子量差别较大的溶液，更显出它的优越性1。超滤技术的应用不仅改革了传统的加工工艺，而且提高了产品的质量，增加了产品的品种。1 、超滤的分离原理膜过滤是一种运作在分子水平上的分离技术。最简单的超滤器的工作原理如图1 所示:图1超滤器工作原理图即在一定的压力作用下, 当含有大小分子物质两类溶质的溶液流过被支撑的膜表面时, 溶剂和小分子溶质( 如无机盐类) 透过膜, 作为透过物被收集起来,大分子溶质( 如有机胶体等) 则被薄膜截留而作为浓缩液被回收。其中溶剂和小分子物质通过膜是由膜两侧的压力差造成的。当含溶质的物料和溶剂被滤膜隔开时, 溶剂和小分子会通过渗透达到平衡。但物料中的大分子不能通过膜, 因而在膜两侧形成渗透压差。此时, 如果在膜的两侧施加一个逆向的压强差, 使其大于膜两侧的渗透压差, 就会出现溶剂和小分子倒流现象, 使浓度较高的溶液进一步得到浓缩。所以在超滤过程中可同时完成分离( 使大分子溶质和小分子溶质分开) 和浓缩( 从物料中脱去部分溶剂) 两个过程。 在超滤中, 大分子溶质之所以不能象溶剂那样容易通过膜, 主要是因为下列几个原因: ( 1) 被吸附在过滤膜的表面和孔中( 基本吸附) ; ( 2) 被保留在孔内而被除去( 堵塞) ; ( 3) 机械地被截留在过滤膜表面上( 筛分) 。所以, 有人认为把超滤视为一种筛孔分离过程过于简单, 膜表面的化学性质也是影响超滤分离的重要因素。超滤往往既有筛分过滤作用, 又有选择性渗透作用。2 、超滤技术在食品工业中的应用21 超滤在果蔬汁的生产中的应用自 Heatherbell 等人成功运用超滤技术制得了稳定的苹果澄清汁之后, 超滤技术在果汁澄清中的研究与应用发展很快。 国外已在苹果汁、橙汁、梨汁、葡萄汁、柠檬汁、番茄汁等果蔬汁的生产加工中采用超滤等膜分离技术, 以实现对其除菌、澄清和浓缩2。与传统的工艺方法相比, 这种工艺的特点是：降低操作和劳务费用; 保留果蔬汁中的芳香和脂溶性成分, 使其口感接近鲜食风味, 从而提高了产品质量; 能去除微生物和过量的酶, 有助于产品的长期贮存而不会出现沉淀; 由于采用了自动控制, 操作更可靠, 令产品质量更均衡。图4是超滤与传统澄清技术的比较。从中可见, 超滤程序不但能减少处理时间, 更可提高果汁生产的收益。2.2 超滤在乳品加工中的应用在国外, 膜分离技术应用于乳品工业始于70 年代末。目前, 超滤技术主要应用于原奶浓缩、脱脂奶浓缩、乳清预备浓缩、原奶精制、蛋白和肽的分离以及从干酪生产的乳清废液中回收乳糖、脂肪和蛋白质等成分, 具有节省能源、减少蛋白质变性、提高产品质量以及从乳品中制取多种成分等特点, 较传统生产方式有明显的优势, 是传统加工工艺所无法比拟的3。目前我国在乳品和植物蛋白生产中所采用的膜分离技术仅处于研究或试生产阶段, 尚无成熟的工业化生产实例。下面就以采用超滤法生产乳清粉为例, 介绍一下其在乳品工业中的应用。多年来, 制造奶酪的副产品一直被用作为饲料, 或是作为废物而排入下水道。这样既造成浪费, 又污染了环境。采用超滤法则可以提高产品中蛋白质的含量, 使制得的乳清粉质量得到了根本改善。其工艺流程如图2 所示。采用超滤法可以从乳清中分离出低分子的水、盐、乳糖, 从而改善了浓缩物中蛋白质、乳糖和盐的比例。此外, 蛋白浓缩物也不再仅只能加工成粉末状, 而可以是液体状, 然后, 将其掺和入其它产品中或返回奶酪生产过程中, 这样就可以提高原乳的产率。图3 为Manbois所提供的不产生乳清的软奶酪的制造法。采用该法的优点是, 可省去处理乳清的设备, 省去转化为奶酪的中间过程, 通常可节约原所需凝乳酶的80 %, 省去或减少了CaCl2 添加剂, 从而提高了产率。当然, 采用该法制得的产品口味和质地会有所改变。2.3 超滤在酒类生产中的应用超滤技术应用于酒类生产，可起澄清、灭菌、浓缩、精制、去酶以及改变酒体口感、风味等作用。如朱一松4等用截留分子量为30000 和10000 的超滤膜对生黄酒进行过滤, 分析了超滤处理前后的黄酒样品。结果表明,这2 种规格的超滤膜对淀粉酶、糖化酶、蛋白酶都能达到去除的要求；超滤处理后的黄酒各理化指标均符合GB/T13662- 2000 的指标要求,蛋白质和氨基酸均有所减少,酒样颜色变浅,黄酒有新的香味感觉,具有淡爽感,呈现一种黄酒新品种的风味。应用超滤技术可以有效地祛除葡萄酒中引起浑浊、沉淀和苦涩味的物质，提高葡萄酒的澄清度，使酒体更加稳定，色泽、口感、风味更加丰满圆润5。采用超滤膜分离和活性炭吸附等新技术对传统的酿制工艺予以改造, 使其达到类似日本清酒的风味。上海原子核所与上海富金酒厂合作, 进行了米酒精制的超滤应用试验和中试生产项目, 采用超滤和活性炭吸附等新工艺, 制备成功一种清酒。该清酒无色, 清亮透明, 有光泽, 清香突出, 味纯正, 甘甜爽口, 酒体协调, 自成一格, 可长期存放, 实现了对米酒升级换代的目标。2.4 超滤技术在茶饮料研制中的应用在茶饮料的制备过程中, 由于技术原因, 出现了一些问题, 使茶饮料的品质受到了影响, 如茶制品在存放一段时间后, 会出现絮状物, 使原本澄清的溶液变成混浊状态, 俗称“冷后浑”。据相应的研究表明,“冷后浑”现象与茶叶中所含的咖啡碱、多酚类物质及高分子量的蛋白质、多糖、果胶有关。在保证茶饮料原有风味的前提下, 运用超滤技术, 成功地解决了长时间保持茶饮料良好澄清度的技术难题。采用超滤技术制得的茶饮料在常温下存放一段时间后，得到以下结果6：3 、超滤技术的发展前景超滤技术的优点是显而易见的, 但在使用上还有其局限性, 主要问题是膜的通量和寿命较低, 设备和操作费用较高。随着科学技术的迅猛发展, 其局限性正在被迅速消除。事实表明,超滤技术在食品工业等领域的运用有着十分光明的前景。根据超滤技术的现有应用状况以及科技水平来看, 超滤技术的发展趋势将是: 制膜技术在国内外的发展将更快, 在现有的有机膜、无机膜、复合膜等制膜材料中无机膜和复合膜将是发展的重点。此外, 尚需开发能适应各种工艺要求、性能好、寿命长、价格稳定的膜元件。有待开发出能减少操作中产生的膜浓差极化、凝胶极化, 从而提高膜的通量、分离性能和操作周期的更经济的分离方法。如采用动态膜、高剪切力错流、外加电场或磁场等。改进和完善膜装置本身的结构及配套件, 研究并采用最佳的操作参数。发展综合分离技术, 以经济、方便地达到高分离精度和高速度的要求, 并扩大其使用范围。各种膜技术都有一定的使用范围, 可在生产中采用与其它传统分离技术配合起来使用, 或将几种不同的膜技术串联起来使用以及在同一膜设备中被不同的膜, 使用几种振动力等技术措施。由于具有膜分离技术由于在低温下操作、无相变、能较好地保持汁液风味及营养成分、降低能耗等优点,使得其在食品行业中的应用不断扩大。虽然超滤技术在目前还有很多地方不太成熟, 但随着超滤的不断发展, 它在食品工业中的优越性将日益显著, 也必将推动我国料液处理技术的革新。参考文献：1施巧琴，林跃鑫.酶工程M.北京:科学出版社,2005:159- 170.2 胡小松,蒲彪.软饮料工艺学M. 北京:中国农业大学出版社,2002: 128129.3 英 Ralph Early 著.张国农,吕兵,卢蓉蓉,译.乳制品生产技术M.北京:中国轻工业出版社, 2000: 304305.4朱一松,赵光鳌,帅桂兰等.纯生黄酒的酿造J.