膜分離技術在食品飲料行業(yè)中的應用

趙文峻

(杭州娃哈哈集團有限公司，浙江 杭州 310018)

引言：膜分離技術是一門新的技術種類，具有綜合多個學科如濃縮、澄清、提取、除菌等等的功能，整個分離過程中無變相、無加熱，可充分的保證熱敏性物質的活性，并具有高效、環(huán)保及操作簡單、易于控制等特點，已是當今分離學科中的最為重要的技術之一。在食品飲料行業(yè)中，膜分離技術不僅用于各類水產品的生產和食品飲料生產工藝用水的處理，還廣泛用于酒類、果蔬汁、牛奶和乳制品、茶和茶粉等等產品的生產中。

1 膜分離技術應用于食品飲料行業(yè)中的優(yōu)勢

在現(xiàn)代工業(yè)生產中，膜分離技術應用范圍已經非常的廣泛，尤其是在食品飲料行業(yè)中，地位更是無可取代。這是因為現(xiàn)代膜分離技術具有無變相、無加熱、應用范圍廣的特點：

1.1 無變相過程。膜可定義為兩相之間的一個不連續(xù)區(qū)間，借助于某種推動力，在膜相隔的兩相之間進行物質傳遞。因此，膜分離技術在整個的分離過程中不會發(fā)生相的變化，相對與其他的分離技術來說，膜分離技術就顯得更加的節(jié)能環(huán)保。能源問題在今天已經是一個非常突出的問題，所以膜分離技術已經引起了相關行業(yè)的高度重視。

1.2 無加熱過程。膜分離的整個過程利用了推動力驅動的原理,整個的分離過程是在常溫下進行的,因此，不會影響到如酶、果汁等熱敏物質的活性，所以尤其適合熱敏物質的濃縮、分離、精制等。同時，相對于蒸餾等傳統(tǒng)工藝，處理效率高。

1.3 應用范圍廣泛。膜的類別很多，按分離介質不同，可分為氣體膜和液體膜；按驅動力不同，可分為壓力驅動膜和電勢差驅動膜；按膜材料不同，可分為有機膜和無機膜；按膜體結構形式的區(qū)別不同，可分為多孔膜與致密膜。由此，膜分離技術適合使用的范圍非常的廣泛，從微粒至微生物菌體，甚至是離子級的物質都可以進行分離，其關鍵是選擇不同的膜類型。

1.4 操作控制簡單。膜分離技術只需壓力差或電勢差做為推動力，因此所采用的技術設備操作簡單，易于實現(xiàn)自動化，模塊化，運行穩(wěn)定，可靠性高。同時，減少化學藥劑的使用，減少化學污染的可能性，食品安全性高。

基于以上分析的膜分離技術的特點，及食品飲料行業(yè)的特殊性，膜分離技術受到了食品飲料行業(yè)的特別關注。

2 膜分離技術在食品飲料行業(yè)中的應用

在食品飲料行業(yè)中常用的膜分離技術有：反滲透（RO）、納濾（NF）、超濾（UF）、微孔過濾（MF）和電滲析（ED或 EDI）。這些膜組件的處理范圍不同，以滿足食品飲料工藝的不同需求：

表1 各類膜組件的處理范圍

2.1 膜分離技術在食品飲料凈水處理中的應用。

水是人體必需的物質，是飲料產品最基本的原料。而水源污染是當今世界范圍所面臨的普遍問題，尤其是富營養(yǎng)化污染、工業(yè)有機物污染和重金屬污染，使我們的水源水不能直接飲用。水處理則是對水質成分的變革。膜分離技術以它特有的優(yōu)勢，在水處理中占據了越來越重要的地位，尤其是采用模塊化設計的特性，可搭配不同的預處理系統(tǒng)，依不同地區(qū)、不同水質條件需求設計，讓膜工藝可與傳統(tǒng)處理工藝互相協(xié)調運行，彌補傳統(tǒng)水處理工藝的不足。

膜工藝在水處理中應用的基本原理是：利用原水中的水分子具有透過分離膜的能力，而溶質或其他雜質不能透過分離膜，在外力的作用下，對水進行分離、提純、濃縮，以達到提高水質的目的。不同的膜適用于不同的分子段，以滿足不同的精度要求：

微濾膜屬均勻多孔類型膜，孔徑范圍約為0.01um～10.0um，過濾原理屬于篩網過濾，能夠截留所有比網孔大的顆粒、纖維和懸浮物。相對精度的微孔濾膜常用于水處理的預處理，而絕對精度的微孔濾膜則用于終端處理。

超濾是在壓力推動下進行的篩孔分離過程，介于微濾和納濾之間。超濾膜多數為相轉化法制備的非對稱膜，如常用的中空纖維膜，膜呈毛細管狀，微孔位于管壁上，溶液以其組份能否通過這些微孔來達到分離的目的。超濾可截留顆粒物質、細菌和部分有機物，在凈水處理中，常用于礦泉水的生產。近年來，在全膜法水處理工藝中，也用于反滲透的預處理。

表2 微生物學中常用的濾膜孔徑及用途濾膜孔徑(μm)

納濾是介于反滲透與超濾之間的壓力驅動膜分離過程"。納濾膜能使90%以上的NaCl透析，而對 Ca2+、Mg2+、SO42-的脫除率高達96%，總脫鹽率可達到81%,可以有效降低水的硬度，脫除水中重金屬離子、SS、病毒及農藥等危害人體的化學物質。納濾膜操作壓力低，在高鹽度和低壓條件下具有較高滲透通量，出水水質安全穩(wěn)定，因此非常適合用于海水、苦咸水等高鹽水質的軟化脫鹽處理。

反滲透膜孔徑小至納米級，它能分離20納米以下的微粒。在一定的壓力下，H2O分子可以通過RO膜，水中的無機鹽、重金屬離子、有機物、膠體、細菌、病毒等雜質則無法通過。反滲透膜是具有選擇性的均相聚合膜，具有較高的單位膜面積透水速度和脫鹽性能，物理和化學穩(wěn)定，機械強度好。從90年代起，反滲透膜在工業(yè)凈水處理的深度處理中得到普及，目前，所有的純凈水和大部分飲料企業(yè)的純水處理，采用的都是反滲透和兩級反滲透工藝。

2.2 膜分離技術在果蔬汁澄清處理中的應用。傳統(tǒng)的果蔬汁澄清處理方法有自然沉降、離心分離、活性炭色素、板框過濾法以及酶處理法等，都存在有不同的缺點。將膜分離技術應用于果蔬汁等飲料的澄清時，可在分離產生的渾濁組分的同時，進行澄清處理。由于膜分離技術無加熱、無變相等特點，可以保存全有風味，同時最有高效特點。利用膜分離技術處理甘蔗汁、蘋果汁等果汁，分離澄清的效果非常顯著。

表3 反滲透膜濃縮與真空濃縮比較表

2.3 膜分離技術在茶飲料濃縮處理中的應用。膜分離技術濃縮茶汁，采用超濾+反滲透的工藝，避免了其它濃縮法的高溫、相變,而超濾則可以解決沉淀混濁及冷后渾現(xiàn)象,同時又為反滲透膜濃縮作準備,去除了茶汁中的大分子,如蛋白質等。超濾后茶汁濁度接近于零,對保持茶的香氣、滋味、色澤有直接影響。而反滲透膜濃縮與真空濃縮相比有其無法比擬的優(yōu)越性，運行成本低，產品質量明顯提高：

2.4 膜分離技術在奶制品生產中的應用。在牛奶生產中，膜分離技術可用于脫脂除菌和濃縮大分子酪蛋白物質。牛奶中的細菌尺寸一般大于0.2μm，而脂肪粒的尺寸在0.1～2μm之間，因此采用微濾膜可以去除牛奶中的細菌。對于脫脂奶，在微濾除菌前后其品質變化不大。在全奶的研究中發(fā)現(xiàn)，采用1.8μm的氧化鋁膜進行微濾，可以使細菌數下降兩倍，同時有98%的脂肪被去除，而蛋白質則較好的被保留在過濾后的牛奶中。

膜分離技術在奶酪生產中，可用于制備高蛋白含量(>20%～22%)的液態(tài)奶酪，作為制備軟或半硬奶酪的原料。采用超濾膜，脂肪、蛋白質留在濃縮液中，而乳糖、溶解蛋白、礦物質和其他微量成分留在乳清液中，使蛋白質與脂肪的比例達到奶酪的正常水平，成為液態(tài)標準乳酪。實際證明，用超濾法生產奶酪，使奶酪產量增加10%～30%，降低凝乳酶用量70%～85%，且能實現(xiàn)生產的連續(xù)化和自動化。同時，脫脂乳或全乳乳酸發(fā)酵生產新鮮奶酪的過程中，需要將含有乳糖和無機物的水溶液相從發(fā)酵后的酸奶體系中分開，而全部蛋白質和脂肪保留在截留液中。傳統(tǒng)上使用蒸發(fā)濃縮法或離心分離法，不但能耗較高，且會破壞牛奶中的某些熱敏性成份，影響產品質量。國外已經采用超濾和反滲透膜技術，替代蒸發(fā)濃縮或離心分離工藝，可生產出品質令人滿意的奶酪及甜酸奶。

2.5 膜分離技術在其他食品生產過程中的應用。果膠是一種高分子物質，主要由半乳糖醛酸組成，主要作膠凝劑、增稠劑等使用，具有很大的市場需求量。目前果膠基本上以柑橘皮等作為主要原料，采用稀酸進行成分提取，提取液中含有大量的有機酸、酚、皮油及色素等，這些物質對凝液并沒有作用，并且后期處理復雜，成本較高等。采用膜分離技術進行提取液的處理，可以有效的去除大量的無用雜質，脫去大量的酸以及無機離子，干燥提取液后可得高品質果膠，并且大大降低生產成本。酶是一種催化劑，具有高效、專一、活性可以調節(jié)等特點，廣泛的應用于制糖、啤酒發(fā)酵、飲料加工、水果蔬菜加工等方面。凝膠過濾法、疏水層析法、親水層析法、高效液相層析等都是比較常用的酶提取方法，主要存在著分辨率過低、不適于工業(yè)化連續(xù)生產等方面的缺點，而使用膜分離技術進行酶成分的提取，則可以避免這些產生缺陷。

目前，膜分離技術還廣泛應用于酒類加工和農產品深加工等領域中，解決了傳統(tǒng)工藝中存在的難題，使產品分離精度極大提高，提升了產品的品質。

結語。食品飲料產業(yè)是我國的主要產業(yè)之一，其發(fā)展直接關系到了人們生活質量的提高。膜分離技術與傳統(tǒng)分離技術相比，具有非常明顯的優(yōu)勢，所以在各國的食品行業(yè)中受到了非常廣泛的應用，其發(fā)展前景也是非常廣闊，隨著新型膜材料及技術的不斷發(fā)展，膜分離技術在食品飲料行業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

[1]葛目榮,許莉,曾憲友,朱企新.納濾理論的研究進展[J].流體機械，2005年01期.

[2]牛奶加工膜設備.食品飲料行業(yè)，2010年.

[3]譚德君,呂偉婭,王雅琴.膜法水處理技術的研究與應用現(xiàn)狀[J].環(huán)境保護科學，2006年06期.