膜科学技术及其在食品工业中的应用

    众所周知，构成自然界的各种物质，除了少数以纯净物质形式存在外，绝大多数以混合物形式存在。为了使各类物质适合人们的需要，经常要进行物质分离、净化、提纯或浓缩。随着现代社会对物质高效分离与纯化的要求, 膜科学技术应运而生，并形成一项欣欣向荣的高科技产业。

    膜分离法是以外界能量为推动力，用高分子薄膜，凭借各组分在膜中传质的选择性差异，对多组分流体物质进行分离、分级、提纯和富集的方法。膜分离法是微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、气体分离(GP)、渗透蒸发（PV）、渗析（DL）和电渗析（ED)等一系列膜分离技术的总称。

    膜分离过程一般不涉及相变化，操作温度在室温左右，具有投资小、占地少、无污染、高效、节能等特点，可减少产品流失，提高产品得率并避免环境污染，符合清洁生产工艺的要求与规范。在人类面临环境污染、能源与资源危机的今天，膜分离技术受到世界各国环保当局的重视与推广。近二三十年来膜技术取得了显著进展。1990年全世界制膜工业销售总额已达到40亿美元，且以每年14～30%的速度增长，目前已广泛应用于化工、电子、轻工、医药、纺织、印染、造纸、发电冶金、国防、石油、污水处理、农业、食品等各行业。膜分离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。下面对膜技术及其在食品工业中的应用做一简要介绍。

    膜分离技术作为新兴的化工分离单元，在食品/饮料工业中受到高度重视。主要特点如下。

    ①在常温下进行，营养成分损失极少，特别适合于热敏性物质如果汁、酶等的分离、分级、浓缩与富集。

    ②不发生相变化，所以挥发性成分如芳香物质损失较少，可保持原有的芳香，与有相变化的分离法和其他分离法相比，能耗低，分离水分时，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/2~1/5。

    ③在密闭系统中进行，被分离食品无色素分解和褐变反应。

    ④不用化学试剂和添加剂，产品不受污染。

    ⑤选择性好，可在分子级内进行物质分离，具有普通滤材无法取代的卓越性能。

    ⑥适应性强，使用范围广，可用于分离、浓缩、纯化、澄清等工艺。

    ⑦处理规模可大可小，可以连续也可以间歇进行，膜组件可单独使用也可联合使用，工艺简单，操作简便，易于实现自动化操作。

    在食品加工工业中，膜技术应用的最大障碍是处理料液多种多样，物理性质千差万别。同时食品工业要求膜技术的处理成本十分低廉，这就更增加了膜分离技术在食品工业中的应用难度。

    3 膜技术在食品工业中的应用

    3.1 在果蔬汁生产中的应用

    在果蔬汁生产中，膜技术有两方面的主要应用：微滤、超滤技术用于澄清过滤；纳滤、反渗透技术用于浓缩。

    用超滤法澄清果汁时，细菌将与滤渣一起被膜截留，不必加热就可除去混入果汁中的细菌。相对于酶法而言，滤汁中不存在未分解的果胶，长期贮存极少出现二次沉淀。

    果蔬汁浓缩的目的是为了提高果汁成份的稳定性、减少体积以便于运输，同时期望能除去酸和产生不良气味的成分等，改善果蔬汁风味。传统的果蔬汁浓缩方法主要采用蒸发与冷冻脱水两种，都存在高温或低温相变过程，能耗大，且因果蔬汁内含有大量有机酸，加热浓缩时容易氧化变质，营养成份损失严重，产品品质低。例如：果蔬汁中的芳香成份在蒸发浓缩过程中几乎全部失去，冷冻脱水法也只保留大约8%，而用反渗透技术则能保留30~60%。

    3.2 在乳品工业中的应用

    反渗透、超滤技术主要用于乳清蛋白的回收和牛乳的浓缩。目前各国广泛应用超滤法作为回收乳清蛋白的标准技术。

    用膜分离技术加工乳品比用其他方法更为经济。从牛奶生产酸奶或奶酪等传统上使用蒸发浓缩法，不但能耗较高，且会破坏牛奶中的某些热敏性成份，影响产品质量。将反渗透技术用于稀牛奶的浓缩，可生产出品质令人满意的奶酪及甜酸奶。用反渗透技术除去乳牛清中的微量青霉素，大大延长了乳制品的保质期。

    采用反渗透法还能将乳清中的固形成分浓缩至18%～30%，进一步干燥后用于家畜饮料或乳清酪的原料。但是在全干乳清中由于含有大量的乳糖和灰分，因而限制了它在食品中的应用，当采用超滤时，可在浓缩乳清蛋白的同时，从膜的透过液中分离掉乳糖、灰分等。

    日本对牛奶的超过滤浓缩与真空蒸发法作了对比，结果表明，对于一个日处理量为226.8t的工厂来说,无论是设备投资与运转费用超过滤法均要便宜得多。古巴干酪公司生产干酪素的经验表明，每4.536kg牛奶可制备0.453kg干酪，剩下4.082公斤乳清若以反渗透法和蒸发法结合对乳清进行处理时，当日处理牛奶量为421848kg，一年生产92d，比单纯用蒸发干燥法可节省8万美元。

    3.3 在酒类生产中的应用

    用超滤膜能除去酒及酒精饮料中如残存的酵母菌、杂菌及胶体等，使酒的澄清性得到改善，并获得良好的保存性，还能使生酒具有熟成味，缩短老熟期。一些酒经超滤处理后风味有所改善，变得清爽又醇香延绵。目前采用超滤对酒和酒精饮料的精制已在美国、意大利、日本等国得到应用，所处理的酒类有葡萄酒、威士忌、烧酒、清酒、黄酒等。使用超滤法还避免酒的热杀菌易引起的混浊成分的析出，简化了过滤设备。

    用超滤代替离心分离进行葡萄酒的提纯，可以在不加化学试剂情况下制得透明葡萄酒，还可降低酒中的乙醇含量。

    过滤是啤酒生产的重要环节，目的是除去啤酒中的酵母、蛋白质和多酚复合物等微小物质，改善啤酒的生物和非生物的稳定性。经棉饼过滤或硅藻土过滤后之啤酒称为鲜啤酒或生啤酒，贮存超过一周就会发生生物混浊。人们日常饮用的瓶装啤酒，在装瓶后必须经过低温灭菌，使残留的酵母及其他杂菌停止繁殖，这样的啤酒称为熟啤酒，一般能保持60~90d或更长。生啤酒的口味虽优于熟啤酒，但不能长期保存，给运输及销售等带来一定的困难。为了使生啤酒不经低温加热灭菌而能长期保存，建议采用过滤膜进行啤酒的精滤和无菌过滤的新技术。

    3.4 在豆制品工业中的应用

    蛋白质的分离和回收是膜技术在豆制品工业中的主要应用。豆乳制作时产生的大豆乳清，通常方法只能从中提取近60%的蛋白质，残留蛋白质可以用超滤进行浓缩，能够增加20～30%的豆腐收率。采用超滤法可在浓缩蛋白的同时，去除产生豆膻味和影响豆乳稳定性的低分子物质，提高豆乳质量。

    制酱工厂排出的废水中，80%以上BOD主要来自大豆的蒸煮汁。大豆煮汁可进行分阶段超滤处理，经膜法处理后的透过液可作为生产用水回收，浓缩液可作为生产原料。大豆蛋白工业中的乳清处理，是防止水体污染的重要问题。大豆乳清中含有多种低分子蛋白质、多糖类、肽、少糖类等物质，采用超滤法从大豆乳清中回收浓缩大豆蛋白，以满足人类和畜牧业的需求。采用超滤法对大豆乳清进行浓缩分离，浓缩液中含有β-淀粉酶、胰朊酶、阻凝酶、阻凝剂等，选用合适的超滤膜对β-淀粉酶进一步分离浓缩，可获得β-淀粉酶产品。

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