據(jù)中國食品產(chǎn)業(yè)網(wǎng)2007年3月3日訊 人們對膜進行科學(xué)研究則是近幾十年來的事。1950年朱達W．Juda試制出選擇透過性能的離子交換膜，奠定了電滲析的實用化基礎(chǔ)。1960年洛布(Loeb)和索里拉簡(Sourirajan)首次研制成世界上具有歷史意義的非對稱反滲透膜，這在膜分離技術(shù)發(fā)展中是一個重要的突破，使膜分離技術(shù)進入了大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的時代。其發(fā)展的歷史大致為：20世紀(jì)30年代微孔過濾；40年代透析；50年代電滲析；60年代反滲透；70年代超濾和液膜；80年代氣體分離；90年代滲透汽化。此外，以膜為基礎(chǔ)的其它新型分離過程，以及膜分離與其它分離過程結(jié)合的集成過程(Integrated Membrane Process)也日益得到重視和發(fā)展。
一、 膜分離原理
膜分離過程是以選擇性透過膜為分離介質(zhì)，當(dāng)膜兩側(cè)存在某種推動力(如壓力差、濃度差、電位差、溫度差等)時，原料側(cè)組分選擇性地透過膜，以達到分離、提純的目的。不同的膜過程使用不同的膜，推動力也不同。目前已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用的膜分離過程有微濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)、滲析(D)、電滲析(ED)、氣體分離(GS)、滲透汽化(PV)、乳化液膜(ELM)等。
二、膜分離技術(shù)
反滲透、超濾、微濾、電滲析這四大過程在技術(shù)上已經(jīng)相當(dāng)成熟，已有大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，形成了相當(dāng)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，有許多商品化的產(chǎn)品可供不同用途使用。這里主要以反滲透膜和超濾膜為代表介紹一下。
2.1 反滲透膜(RO)
反滲透膜使用的材料，最初是醋酸纖維素(CA)，1966年開發(fā)出聚酰胺膜，后來又開發(fā)出各種各樣的合成復(fù)合膜。CA 膜耐氯性強，但抗菌性較差。合成復(fù)合膜具有較高的透水性和有機物截留性能，但對次氯酸等酸性物質(zhì)抗性較弱。這兩種材料耐熱性較差，最高溫度大約是60℃左右，這使其在食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用中受到限制。
2.2 超濾膜(UF)
超濾膜最初也是使用CA做材料，后來各種合成高分子材料得以廣泛應(yīng)用。其材料多種多樣，共同特點是具有耐熱、耐酸堿、耐生物腐蝕等優(yōu)點。
目前使用最多的UF膜材料是聚芳砜和異丙基聚芳砜。這兩種材料的最大優(yōu)點是耐熱性非常強。聚芳砜的機械性能好，有優(yōu)良的耐氧化性能，通常使用時耐熱溫度可達8O℃，熱殺菌時耐熱溫度可達90℃，異丙基聚芳砜耐氧化性能更好，較高溫度下能夠保持良好的機械性能，耐熱溫度可達90℃ ，熱殺菌時可達98℃。進行熱殺菌時，高溫水急速通過膜裝置，因膜裝置材料的熱膨脹系數(shù)不同，有時膜會發(fā)生泄漏。現(xiàn)在，通過對環(huán)氧系粘合劑的組成、硬化條件的研究，已能夠制造耐50℃溫差的急速加熱冷卻的膜裝置。
三、 分離膜的優(yōu)缺點
分離膜共同的優(yōu)點是：①節(jié)約能源；②在常溫下進行，特別適用于熱敏性物質(zhì)的處理，能夠防止食品品質(zhì)的惡化和營養(yǎng)成分及香味物質(zhì)的損失；③ 食品的色澤變化小，能保持食品的自然狀態(tài)；④設(shè)備體積小且構(gòu)造簡單，費用較低，效率較高；⑤適用范圍廣，有機物和無機物都可濃縮，可用于分離、濃縮、純化、澄清等工藝。
分離膜的缺點是：①產(chǎn)品被濃縮的程度有限；②有時其適用范圍受到限制，因加工溫度、食品成分、pH、膜的耐藥性、膜的耐溶劑性等的不同，有時不能使用分離膜；③ 規(guī)模經(jīng)濟的優(yōu)勢較低，一般需與其他工藝相結(jié)合。
四、膜技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用
由于膜分離過程不需要加熱，可防止熱敏物質(zhì)失活、雜茵污染，無相變，集分離、濃縮、提純、殺菌為一體，分離效果高，操作簡單、費用低，特別適合食品工業(yè)的應(yīng)用。下面介紹近年來膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用狀況。
4.1 澄清
澄清工序是澄清汁生產(chǎn)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的澄清方法如明膠單寧法、加熱凝聚澄清法、冷凍法、板框過濾法、酶處理法等，都存在各自的弱點。將膜超濾技術(shù)用于食醋、醬油、果蔬汁、茶汁、啤酒等生產(chǎn)中，在分離致濁組分的同時達到澄清的目的。由于操作不受溫度的影響，不發(fā)生相變，可以較好地保存原有風(fēng)味，同時具有快速、經(jīng)濟的特點。
以水果壓榨出汁，制成的果汁飲料中含有許多懸浮的固形物以及引起果汁變質(zhì)的細菌、果膠和粗蛋白。應(yīng)用膜超濾技術(shù)處理甘蔗汁、蘋果汁、草莓汁、南瓜汁等汁液，分離澄清效果良好。陳少州等在南瓜澄清汁加工中分別采用PSA1.5、PSA3.0、等平板超濾膜進行超濾澄清處理，對南瓜汁均有明顯的澄清效果。其透光率(λ=420nm)由原汁的78.9％分別上升到99.4％、98.9％，除果膠和蛋白質(zhì)外，膜截留分子量(MWCO)對可溶性固形物、還原糖、pH、礦質(zhì)元素和總酸等含量均無影響。澄清汁貯存4個月后PSA1.5、PSA3.0超濾汁無沉淀現(xiàn)象，穩(wěn)定性好。
傳統(tǒng)的醬油澄清技術(shù)是采用巴氏消毒法，板框過濾澄清產(chǎn)品。產(chǎn)品有沉淀，細菌數(shù)偏高，生產(chǎn)強度大，廢棄物多，易造成環(huán)境污染。李書申等人用超濾膜技術(shù)替代傳統(tǒng)的醬油生產(chǎn)中蒸發(fā)、濃縮、澄清、凈化等裝置，對醬油澄清、除茵、脫色處理，大幅降低能耗，提高了產(chǎn)品品質(zhì)。
飲料業(yè)中的水處理。飲料的主要成分是水，水的質(zhì)量決定了飲料的質(zhì)量，水處理設(shè)備與最終水質(zhì)有密切關(guān)系。只用傳統(tǒng)的沙濾棒或硅藻土過濾手段，不可能達到精細的過濾等級和絕對地去除微生物。而應(yīng)用膜分離手段則可能達到極好的分離效果。在膜技術(shù)發(fā)達國家，飲料生產(chǎn)領(lǐng)域95％以上采用微孔濾膜為分離途徑之一，在我國，微濾、超濾技術(shù)在飲料生產(chǎn)中都已得到較廣泛應(yīng)用。在飲料行業(yè)中要達到凈化、澄清的目的，用0.45 µm的微孔膜過濾元件進行流程過濾即可滿足要求。由于微孔膜過濾后除去的是飲料中的雜質(zhì)、懸浮物及生物菌體等，而水中的微量元素和營養(yǎng)物質(zhì)卻毫無損失，所以特別適用于某些需保持特殊成分或風(fēng)味的飲料的凈化過濾，如天然飲用礦泉水。應(yīng)用膜分離過程制備飲用水和超純水已實現(xiàn)工業(yè)化。據(jù)統(tǒng)計，1988年世界上應(yīng)用電滲技術(shù)生產(chǎn)飲用水銷售額達5億美元，并按每年10％的速度增長。
茶飲料是目前飲料市場上非常受歡迎的飲品。然而茶提取液中含有蛋白質(zhì)、果膠、淀粉等大分子物質(zhì)，其中的茶多酚類及其氧化產(chǎn)物易于咖啡堿等物質(zhì)形成絡(luò)合物，使茶汁產(chǎn)生混濁及沉淀，消除混濁及沉淀是茶飲料生產(chǎn)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的方法易使茶汁中許多有效成分去除，造成風(fēng)味嚴(yán)重?fù)p失。采用超濾法處理綠茶汁和紅茶汁可有效去除茶汁中的大部分蛋白質(zhì)、果膠、淀粉等大分子物質(zhì)，而茶多酚、氨基酸、兒茶素、咖啡堿等含量損失很少，醇不溶性物質(zhì)[AIS]可去除38～7O％ ，使透明度提高92～95％。茶汁外觀清澈透明，口感好，茶汁不易二次渾濁和變質(zhì)。
4.2 濃縮、純化
利用膜的優(yōu)良的選擇性可將溶液中的欲提取組分在與其他組分分離的同時有效地得到濃縮和純化。
羊棲菜是一種暖溫帶海藻．羊棲菜多糖具有明顯的生物活性，具有抗腫瘤、促進造血功能、防止血栓形成、降血糖、降膽固醇、防高血壓、增強免疫力等功能，是“綠色黃金食品”。采用中空維超濾膜技術(shù)(截留分子量6000，入口壓力1.00～1.09MPa，出口壓力0.4O～O.46MPa，操作溫度13～15 ℃)脫除羊棲菜粗多糖提取液中的鹽分，脫除率達99.9％，同時脫除部分色素物質(zhì)?
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