小孔徑陶瓷超濾膜在菊粉提取工藝中的可行性研究

牛淑鋒，李麗(南京翃翌陶瓷納濾膜有限公司，江蘇 南京 211800)

0 引言

菊粉，又稱菊糖，不僅是一種天然功能性食用多糖，也是一種天然可溶性膳食纖維[1]。菊粉具有控制血脂、降低血糖、改善腸道防止便秘、促進(jìn)礦物質(zhì)吸收、抗腫瘤提高免疫力、護(hù)肝等功效[2]，有助于改善人類的生理狀態(tài)，是十分理想的功能性食品配料，被廣泛應(yīng)用于功能性食品、藥品和保健業(yè)等領(lǐng)域。在菊粉生產(chǎn)過程中，目前傳統(tǒng)的工業(yè)提取工藝[2]是在菊芋浸提液中加入石灰，促使菊芋浸提液中的蛋白析出，然后采用平均孔徑為50 nm的陶瓷超濾膜過濾，一方面去除浸提液中析出的蛋白，另一方面對菊芋浸提液進(jìn)行濃縮。然后，將經(jīng)陶瓷膜過濾后的滲透清液經(jīng)有機(jī)納濾膜進(jìn)行鹽離子脫除后，進(jìn)入后端蒸發(fā)結(jié)晶等工序。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，存在以下問題：一是菊芋浸提液中加入石灰后析出的大量蛋白，在經(jīng)過50 nm陶瓷膜過濾時，極易進(jìn)入膜孔中，導(dǎo)致陶瓷膜的通量急劇衰減，生產(chǎn)效率大大降低；二是在陶瓷膜進(jìn)料過程中加入石灰，幾乎沒有停留時間，部分反應(yīng)不徹底的石灰透過50 nm陶瓷膜，進(jìn)入有機(jī)納濾膜時會繼續(xù)絮凝析出部分蛋白，累積在有機(jī)納濾膜表面堵塞膜孔，導(dǎo)致有機(jī)納濾膜損壞失效。

小孔徑陶瓷超濾膜，又稱小超膜，通常是指平均孔徑在2～10 nm的陶瓷超濾膜。與傳統(tǒng)大孔徑超濾膜(平均孔徑為10～50 nm)相比，小超膜的分離性能和分離效率均得到了較大提升，可以有效截留物料中的蛋白、色度及小分子雜質(zhì)，滿足精密分離領(lǐng)域?qū)π】讖侥さ男枨骩3]。針對菊粉生產(chǎn)過程中大孔徑陶瓷超濾膜生產(chǎn)效率降低及有機(jī)納濾膜損壞等問題，利用小孔徑陶瓷膜可截留蛋白的特性，本文使用平均孔徑為5 nm的小孔徑陶瓷超濾膜替代傳統(tǒng)的50 nm陶瓷超濾膜，探索小孔徑陶瓷超濾膜在菊粉提取工藝中的可行性，并研究了預(yù)處理工藝對菊粉提取過程中陶瓷膜過濾性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 膜材料與裝置

實(shí)驗(yàn)所用小孔徑陶瓷超濾膜是公司自制的平均孔徑為5 nm的陶瓷超濾膜。具體規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 陶瓷膜規(guī)格參數(shù)

陶瓷膜過濾裝置使用公司自制的管式膜錯流過濾裝置，膜面流速為3 m/s，操作壓力為0.2 bar。

1.2 試劑與儀器

菊芋浸提液，重慶某公司，固含量為2～5%，pH值為8～10，糖含量為3～5 g/L；石灰，嘉祥縣創(chuàng)贏建材有限公司；離心機(jī)，諸城市惠明機(jī)械有限公司；120目不銹鋼濾網(wǎng)，安平縣創(chuàng)宇絲網(wǎng)制造有限公司；全自動凱氏定氮儀，丹麥FOSS8400。

1.3 工藝流程

實(shí)驗(yàn)采用三種預(yù)處理工藝，分別為：一是在菊芋浸提液中加入石灰絮凝，經(jīng)離心機(jī)離心后，將離心清液用5 nm陶瓷膜過濾；二是在菊芋浸提液中加入石灰絮凝，經(jīng)120目不銹鋼濾網(wǎng)過濾后，將過濾清液用5 nm陶瓷膜過濾；三是不加石灰，將菊芋浸提液經(jīng)120目不銹鋼濾網(wǎng)過濾后，用5 nm陶瓷膜過濾。工藝流程示意圖如圖1所示。

1.4 分析方法及計算公式

陶瓷膜的滲透通量由式(1)計算。

式中：J為膜的滲透通量(L/m2·h)；V為滲透液體積(L)；A為膜的有效面積(m2)；t為時間(h)。

圖1 3種不同工藝流程示意圖

原料液和滲透液的蛋白含量使用全自動凱氏定氮儀測定，蛋白截留率由式(2)計算。

式中：R為蛋白截留率；Cp、Cf分別為滲透液和原料液的蛋白含量。

2 結(jié)果與討論

圖2是在相同濃縮倍數(shù)(濃縮8倍)下，采用3種不同預(yù)處理工藝時5 nm陶瓷膜的滲透通量及料液溫度隨時間的變化。由圖1可知，隨著過濾時間的延長，料液溫度逐漸上升，陶瓷膜的滲透通量逐漸降低。這是由于隨著料液濃縮倍數(shù)的增大，菊芋浸提液中的蛋白、色素及小分子固形物含量逐步升高，富集在陶瓷膜的通道及膜孔內(nèi)，導(dǎo)致陶瓷膜的滲透通量逐漸降低。其中，采用工藝一，陶瓷膜開機(jī)時的滲透通量為210 L/(m2·h)，將菊芋浸提液濃縮8倍所需時間為11 h，陶瓷膜的滲透通量降至55 L/(m2·h)；采用工藝二，開機(jī)時的滲透通量為273 L/(m2·h)，濃縮8倍所需時間為4.5 h，滲透通量降至153 L/(m2·h)；采用工藝三，陶瓷膜開機(jī)時的滲透通量為240 L/(m2·h)，濃縮8倍所需時間為4.5 h，滲透通量降至143 L/(m2·h)。

采用3種不同工藝時，陶瓷膜的過程通量和對菊芋浸提液中蛋白的截留率如表2所示。由表2可知，在相同濃縮倍數(shù)下，三種工藝下陶瓷膜的過程通量分別為75、180與184 L/(m2·h)。結(jié)果表明，在預(yù)處理工藝中加入石灰沉降后，采用工藝二使用120目篩網(wǎng)過濾的預(yù)處理效果優(yōu)于工藝一使用離心機(jī)離心的預(yù)處理效果，更有利于后續(xù)陶瓷膜的濃縮工段。因此，在此研究基礎(chǔ)上設(shè)計了工藝三。對比工藝二與工藝三中陶瓷膜的過程通量可知，在預(yù)處理工藝中是否加入石灰，對后續(xù)陶瓷膜的濃縮沒有太大影響。需要注意的是，雖然工藝二與工藝三中陶瓷膜的過程通量相差不大，但兩種工藝下，5 nm陶瓷膜對菊芋浸提液中蛋白的截留率有明顯差別。采用工藝三不加入石灰時，陶瓷膜對蛋白的截留率(58%)是工藝二加入石灰時(24%)的2倍以上。

圖2 陶瓷膜的滲透通量及料液溫度隨時間的變化

表2 陶瓷膜的過程通量及蛋白截留率

采用工藝三，經(jīng)5 nm陶瓷超濾膜過濾前后的原料液和滲透液的光學(xué)照片如圖3所示。由圖3可以看出，菊芋浸提液經(jīng)5 nm陶瓷膜過濾后，色度、濁度及澄清度均發(fā)生了顯著變化，表明小孔徑陶瓷膜用于菊粉提取工藝中，具有很好的分離效果。

圖3 滲透液(左)和原料液(右)的光學(xué)照片

以上研究表明，采用小孔徑陶瓷超濾膜，可以有效截留菊芋浸提液中的蛋白。因此，可用于替換傳統(tǒng)菊粉提取中的“石灰+50 nm陶瓷膜”工藝。在預(yù)處理工藝中取消石灰的加入，菊芋浸提液中不再析出蛋白，將能夠緩解陶瓷膜過濾工段的膜污染，以及后段脫鹽工段中有機(jī)納濾膜的損壞問題，在提高生產(chǎn)效率的同時，降低換膜成本，在菊粉生產(chǎn)行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

(1)在菊粉提取預(yù)處理工藝中加入石灰沉降時，使用120目篩網(wǎng)過濾的預(yù)處理效果優(yōu)于使用離心機(jī)離心的預(yù)處理效果，更有利于后續(xù)陶瓷膜的濃縮工段。

(2)預(yù)處理工藝中是否加入石灰，對小孔徑陶瓷超濾膜濃縮過程中的處理效率影響不大。

(3)采用小孔徑陶瓷超濾膜，可以有效截留菊芋浸提液中的蛋白，可用于替換傳統(tǒng)菊粉提取工藝中的“石灰+50 nm陶瓷膜”工藝。取消石灰的加入，將有助于解決傳統(tǒng)工藝中陶瓷膜污染和有機(jī)膜損壞的問題，提高生產(chǎn)效率，降低企業(yè)運(yùn)行成本。