膜分离技术在食品饮料行业中的应用

2011-05-08赵文峻

中国新技术新产品 2011年5期

赵文峻

(杭州娃哈哈集团有限公司，浙江杭州 310018)

引言：膜分离技术是一门新的技术种类，具有综合多个学科如浓缩、澄清、提取、除菌等等的功能，整个分离过程中无变相、无加热，可充分的保证热敏性物质的活性，并具有高效、环保及操作简单、易于控制等特点，已是当今分离学科中的最为重要的技术之一。在食品饮料行业中，膜分离技术不仅用于各类水产品的生产和食品饮料生产工艺用水的处理，还广泛用于酒类、果蔬汁、牛奶和乳制品、茶和茶粉等等产品的生产中。

1 膜分离技术应用于食品饮料行业中的优势

在现代工业生产中，膜分离技术应用范围已经非常的广泛，尤其是在食品饮料行业中，地位更是无可取代。这是因为现代膜分离技术具有无变相、无加热、应用范围广的特点：

1.1 无变相过程。膜可定义为两相之间的一个不连续区间，借助于某种推动力，在膜相隔的两相之间进行物质传递。因此，膜分离技术在整个的分离过程中不会发生相的变化，相对与其他的分离技术来说，膜分离技术就显得更加的节能环保。能源问题在今天已经是一个非常突出的问题，所以膜分离技术已经引起了相关行业的高度重视。

1.2 无加热过程。膜分离的整个过程利用了推动力驱动的原理,整个的分离过程是在常温下进行的,因此，不会影响到如酶、果汁等热敏物质的活性，所以尤其适合热敏物质的浓缩、分离、精制等。同时，相对于蒸馏等传统工艺，处理效率高。

1.3 应用范围广泛。膜的类别很多，按分离介质不同，可分为气体膜和液体膜；按驱动力不同，可分为压力驱动膜和电势差驱动膜；按膜材料不同，可分为有机膜和无机膜；按膜体结构形式的区别不同，可分为多孔膜与致密膜。由此，膜分离技术适合使用的范围非常的广泛，从微粒至微生物菌体，甚至是离子级的物质都可以进行分离，其关键是选择不同的膜类型。

1.4 操作控制简单。膜分离技术只需压力差或电势差做为推动力，因此所采用的技术设备操作简单，易于实现自动化，模块化，运行稳定，可靠性高。同时，减少化学药剂的使用，减少化学污染的可能性，食品安全性高。

基于以上分析的膜分离技术的特点，及食品饮料行业的特殊性，膜分离技术受到了食品饮料行业的特别关注。

2 膜分离技术在食品饮料行业中的应用

在食品饮料行业中常用的膜分离技术有：反渗透（RO）、纳滤（NF）、超滤（UF）、微孔过滤（MF）和电渗析（ED或 EDI）。这些膜组件的处理范围不同，以满足食品饮料工艺的不同需求：

表1 各类膜组件的处理范围

2.1 膜分离技术在食品饮料净水处理中的应用。

水是人体必需的物质，是饮料产品最基本的原料。而水源污染是当今世界范围所面临的普遍问题，尤其是富营养化污染、工业有机物污染和重金属污染，使我们的水源水不能直接饮用。水处理则是对水质成分的变革。膜分离技术以它特有的优势，在水处理中占据了越来越重要的地位，尤其是采用模块化设计的特性，可搭配不同的预处理系统，依不同地区、不同水质条件需求设计，让膜工艺可与传统处理工艺互相协调运行，弥补传统水处理工艺的不足。

膜工艺在水处理中应用的基本原理是：利用原水中的水分子具有透过分离膜的能力，而溶质或其他杂质不能透过分离膜，在外力的作用下，对水进行分离、提纯、浓缩，以达到提高水质的目的。不同的膜适用于不同的分子段，以满足不同的精度要求：

微滤膜属均匀多孔类型膜，孔径范围约为0.01um～10.0um，过滤原理属于筛网过滤，能够截留所有比网孔大的颗粒、纤维和悬浮物。相对精度的微孔滤膜常用于水处理的预处理，而绝对精度的微孔滤膜则用于终端处理。

超滤是在压力推动下进行的筛孔分离过程，介于微滤和纳滤之间。超滤膜多数为相转化法制备的非对称膜，如常用的中空纤维膜，膜呈毛细管状，微孔位于管壁上，溶液以其组份能否通过这些微孔来达到分离的目的。超滤可截留颗粒物质、细菌和部分有机物，在净水处理中，常用于矿泉水的生产。近年来，在全膜法水处理工艺中，也用于反渗透的预处理。

表2 微生物学中常用的滤膜孔径及用途滤膜孔径(μm)

纳滤是介于反渗透与超滤之间的压力驱动膜分离过程"。纳滤膜能使90%以上的NaCl透析，而对 Ca2+、Mg2+、SO42-的脱除率高达96%，总脱盐率可达到81%,可以有效降低水的硬度，脱除水中重金属离子、SS、病毒及农药等危害人体的化学物质。纳滤膜操作压力低，在高盐度和低压条件下具有较高渗透通量，出水水质安全稳定，因此非常适合用于海水、苦咸水等高盐水质的软化脱盐处理。

反渗透膜孔径小至纳米级，它能分离20纳米以下的微粒。在一定的压力下，H2O分子可以通过RO膜，水中的无机盐、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质则无法通过。反渗透膜是具有选择性的均相聚合膜，具有较高的单位膜面积透水速度和脱盐性能，物理和化学稳定，机械强度好。从90年代起，反渗透膜在工业净水处理的深度处理中得到普及，目前，所有的纯净水和大部分饮料企业的纯水处理，采用的都是反渗透和两级反渗透工艺。

2.2 膜分离技术在果蔬汁澄清处理中的应用。传统的果蔬汁澄清处理方法有自然沉降、离心分离、活性炭色素、板框过滤法以及酶处理法等，都存在有不同的缺点。将膜分离技术应用于果蔬汁等饮料的澄清时，可在分离产生的浑浊组分的同时，进行澄清处理。由于膜分离技术无加热、无变相等特点，可以保存全有风味，同时最有高效特点。利用膜分离技术处理甘蔗汁、苹果汁等果汁，分离澄清的效果非常显著。

表3 反渗透膜浓缩与真空浓缩比较表

2.3 膜分离技术在茶饮料浓缩处理中的应用。膜分离技术浓缩茶汁，采用超滤+反渗透的工艺，避免了其它浓缩法的高温、相变,而超滤则可以解决沉淀混浊及冷后浑现象,同时又为反渗透膜浓缩作准备,去除了茶汁中的大分子,如蛋白质等。超滤后茶汁浊度接近于零,对保持茶的香气、滋味、色泽有直接影响。而反渗透膜浓缩与真空浓缩相比有其无法比拟的优越性，运行成本低，产品质量明显提高：

2.4 膜分离技术在奶制品生产中的应用。在牛奶生产中，膜分离技术可用于脱脂除菌和浓缩大分子酪蛋白物质。牛奶中的细菌尺寸一般大于0.2μm，而脂肪粒的尺寸在0.1～2μm之间，因此采用微滤膜可以去除牛奶中的细菌。对于脱脂奶，在微滤除菌前后其品质变化不大。在全奶的研究中发现，采用1.8μm的氧化铝膜进行微滤，可以使细菌数下降两倍，同时有98%的脂肪被去除，而蛋白质则较好的被保留在过滤后的牛奶中。

膜分离技术在奶酪生产中，可用于制备高蛋白含量(>20%～22%)的液态奶酪，作为制备软或半硬奶酪的原料。采用超滤膜，脂肪、蛋白质留在浓缩液中，而乳糖、溶解蛋白、矿物质和其他微量成分留在乳清液中，使蛋白质与脂肪的比例达到奶酪的正常水平，成为液态标准乳酪。实际证明，用超滤法生产奶酪，使奶酪产量增加10%～30%，降低凝乳酶用量70%～85%，且能实现生产的连续化和自动化。同时，脱脂乳或全乳乳酸发酵生产新鲜奶酪的过程中，需要将含有乳糖和无机物的水溶液相从发酵后的酸奶体系中分开，而全部蛋白质和脂肪保留在截留液中。传统上使用蒸发浓缩法或离心分离法，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。国外已经采用超滤和反渗透膜技术，替代蒸发浓缩或离心分离工艺，可生产出品质令人满意的奶酪及甜酸奶。

2.5 膜分离技术在其他食品生产过程中的应用。果胶是一种高分子物质，主要由半乳糖醛酸组成，主要作胶凝剂、增稠剂等使用，具有很大的市场需求量。目前果胶基本上以柑橘皮等作为主要原料，采用稀酸进行成分提取，提取液中含有大量的有机酸、酚、皮油及色素等，这些物质对凝液并没有作用，并且后期处理复杂，成本较高等。采用膜分离技术进行提取液的处理，可以有效的去除大量的无用杂质，脱去大量的酸以及无机离子，干燥提取液后可得高品质果胶，并且大大降低生产成本。酶是一种催化剂，具有高效、专一、活性可以调节等特点，广泛的应用于制糖、啤酒发酵、饮料加工、水果蔬菜加工等方面。凝胶过滤法、疏水层析法、亲水层析法、高效液相层析等都是比较常用的酶提取方法，主要存在着分辨率过低、不适于工业化连续生产等方面的缺点，而使用膜分离技术进行酶成分的提取，则可以避免这些产生缺陷。