超濾膜分離技術及其在食品工業中的應用

時間：2006-11-14 來源：(南昌大學食品科學重點實驗室,江西南昌 330047) 作者：張建民，劉成梅，馬永花

 超濾與反滲透一樣,也是以壓力差為推動力的液相膜分離過程.但二者分離溶質分子大小不同,通常認為溶質分子量高于500d的,相應孔徑大小為20×10-10m～1000×10-10m的分離過程為超濾。

1. 超濾膜分離原理

一般認為超濾是種篩孔分離過程。如圖1.所示，在靜壓差為推動力的作用下，原料液中溶劑和小的溶質粒子從高壓的料液側透過膜到低壓側，大粒子組分被膜阻攔，使它們在濾料液中濃度增大。按照這樣的分離機理，超濾膜具有選擇性表面層的主要因素是形成具有一定大小和形狀的孔，聚合物膜的化學性質對膜的分離特性影響不大；因此可以用細空模型表示超濾的傳遞過程。但也有學者認為除了膜孔結構外，膜表面的化學性質也是影響超濾分離的主要因素，并認為反滲透理論可以作為研究超濾的基礎。

圖1.超濾原理示意圖

2. 超濾過程的基本特性

超濾過程的特性一般用膜的透過速率和溶質洗除率兩個參數表示

2.1 透過速率

指單位時間透過單位膜面積的溶液量。純水的透過速率隨壓力增大而增大，高分子溶液的透過速率并不隨壓力的增大而增大。當透過速率達到一定值后就與壓力大小無關，此時的透過速率稱為臨界透過速率，其值隨著料液濃度的增加而減小。

2.2 溶質脫除率

溶質洗除率可以用下式表示：

Rabs=1－ Cp/Cb

式中Rabs:表觀脫除率 ； Cp、Cb：分別為透過液和原料液中溶質的濃度

由于濃差極化，膜的實際脫除率為：

R=1－Cp/Cm 式中 Cm：膜面積濃度

在超濾中被膜分離的是高分子和凝膠溶液，當這些組分在膜上原料側表面的濃度Cm 達到飽和濃度時，會在膜表面形成凝膠層，使滲透速率顯著減少，溶質脫除率提高，當超濾液中有幾種不同分子量溶質時，凝膠層會使小分子量組分的表觀脫除率下降。

2.3 傳質系數 k

與反滲透一樣，它與濃差極化有關。k 值越大，濃差極化現象越不明顯。

3. 超濾膜材料

膜材料一般要求有良好成膜性，熱穩定性，化學穩定性，耐酸、耐堿及耐微生物侵蝕和耐氧化性。超濾膜材料最好呈親水性；目前應用最多的為高聚物膜材料，可分為兩類；天然物質衍生物：如醋酸纖維、乙酸丁酸纖維、再生纖維素、硝酸纖維素等。人造物質：如聚酰胺、聚砜、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚呋喃、聚四氟乙烯、聚酰亞胺等。

4. 超濾在食品工業中的應用

4.1 果汁、飲料行業

果汁超濾主要目的是除去易引起果汁發生渾濁沉淀的大分子物質如：果膠，蛋白質，多酚等。自1977 年Heatherbell等人利用超濾進行了蘋果汁的澄清研究以來，該項技術獲得了迅速發展。血橙是重要的甜橙品種，除富含維生素C外，還含有豐富的維生素E、β一胡蘿卜素、花青素苷和類黃銅等多酚化合物，蘇學素[4]等采用管式聚偏氟乙烯超濾膜(PVDF)對血橙進行超濾澄清實驗，在室溫條件下以800L／h進料速率，0.085MPa的跨膜壓差超濾血橙汁，獲得了較高的膜滲透通量，較好地保留了營養物質，對Vc 的保存率約為89％ ，對花青素苷，幾種酚酸及類酮組分(除槲皮素外)的保存率均在90％以上。同未殺菌的血橙原汁相比，超濾澄清汁的總抗氧化能力損失率僅為10％。

4.2 乳品加工業

大豆分離蛋白生產過程中的乳清一直是環保治理的難點，乳清中的乳清蛋質，大豆低聚糖和鹽類，排放到自然水體會造成污染，回收利用則變廢為寶。在乳清蛋白的回收中，最為普遍采用的工藝是利用超濾對乳清進行濃縮分離，通過超濾分離可以獲得蛋白質含量在35％ ～85％ 的乳清蛋白粉。借助于對濃縮相不斷稀釋的全過濾，則可以獲得蛋白質含量更高的乳清蛋白粉。此外，引入超濾和反滲透組合技術，可以在濃縮乳清蛋白的同時，從膜的透過液中除掉乳糖和灰分等，這樣就大大擴大了全干乳清的應用范圍。引入超濾和反滲透后，乳清蛋白的質量明顯提高。與傳統的工藝生產所得的產品相比，蛋白質含量提高了近4倍，乳糖含量下降約40％。[5]

4.3 油脂工業

將超濾技術應用于油的脫膠、脫色工序，可使脫膠和脫色合二為一，省去傳統工藝中許多工序，使油得率大為提高,還可降低脫色白土用量和處理廢白土費用，及減少脫色白土所吸收中性油脂損失。在油脂副產品加工中，如制備大豆蛋白，則可以用超濾膜截留大分子量的蛋白質讓小分子物質通過膜；用截留分子量為20,000-30,000 聚砜酰胺膜制備大豆濃縮蛋白，膜對蛋白質截留率高達95％，經濃縮后蛋白質回收率達93．9％，高于酸沉淀法[6]。同時，膜分離技術提取大豆分離蛋白的溶解性、發泡性、乳化性、吸油性等均優于用傳統“堿溶酸沉法”生產大豆分離蛋白。

4.4 釀酒行業

白酒中常含有棕櫚酸乙酯，油有酸乙酯，亞油酸乙酯等物質，溶于酒精不溶于水，當酒度和溫度降低時，這些物質溶解度降低而使白酒混濁，影響產品質量，這些混濁物粒徑小，比重輕，用常規法不佳，但用超濾法分離就可保證白酒質量[7]。用超濾法代替離心分離法進行葡萄酒的提純，可以在不加化學試劑的情況下制得透明葡萄酒，還可以降低酒中乙醇含量。過濾是啤酒生產的重要環節，目的是除去啤酒中的酵母、蛋白質和多酚復合物等微小物質，改善啤酒的生物和非生物穩定性。經棉餅或硅藻土過濾后的啤酒為生啤，貯存一周后就發生渾濁。經熱殺菌處理的啤酒為熟啤酒一般能保持60～90天但口感沒有生啤優越；用超濾處理啤酒則可同時解決口感與保存期的問題。

5. 展望

現代膜分離技術作為一種新型的高新制造技術，在食品工業中的應用越來越廣泛,日益受到各界關注,展現了廣闊的前景。一些新型膜分離技術更顯示出了巨大的潛力和強大的生命力；超濾分離技術不僅僅應用于傳統的制水工業，在食品工業中已廣泛使用，相信隨著膜材料科技研究的深入,膜分離技術也會不斷發展完善,在不久的將來會迎來食品工業嶄新的開端。