膜分離技術(shù)在食品發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用策略

楊 宸

（聊城大學(xué)東昌學(xué)院，山東聊城 252000）

采用膜分離技術(shù)進(jìn)行食品發(fā)酵加工的過(guò)程中，為充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，相關(guān)企業(yè)和技術(shù)人員需要充分明確膜分離技術(shù)，分析其在食品發(fā)酵工業(yè)中的幾個(gè)主要應(yīng)用方向，并以此為依據(jù)研究其具體的應(yīng)用策略。通過(guò)這樣的方式，才可使膜分離技術(shù)得以科學(xué)應(yīng)用，從而為食品發(fā)酵工業(yè)提供科學(xué)技術(shù)支撐，在提升食品發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)確保食品的質(zhì)量和安全性。

1 膜分離技術(shù)概述

膜分離技術(shù)是將分離膜用作組件，從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)濃縮、分離與提純的一種技術(shù)形式。此項(xiàng)技術(shù)的主要應(yīng)用原理是篩分，借助于膜具有的選擇透過(guò)性，從溶液中分離出一些微粒，但在此過(guò)程中，很多因素都在發(fā)揮作用，如溶劑、溶質(zhì)分子會(huì)與膜之間發(fā)生吸引或排斥作用，溶液和水會(huì)優(yōu)先被膜吸附，同時(shí)也包括負(fù)分離等很多作用。在膜分離技術(shù)的具體應(yīng)用中，膜組分可按照微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜進(jìn)行劃分[1]。表1為幾種主要膜組分的過(guò)濾精度及其應(yīng)用功能。

表1 幾種主要膜組分的過(guò)濾精度及其應(yīng)用功能

就目前的膜分離技術(shù)來(lái)看，已經(jīng)提出的膜傳質(zhì)和傳遞模型主要包括微孔擴(kuò)散模型、溶解擴(kuò)散模型、吸附控流模型、毛細(xì)孔流優(yōu)先吸附模型、不完全溶解擴(kuò)散模型和基于熱力學(xué)的傳遞模型等。在具體應(yīng)用中，膜分離技術(shù)有很多種類，不同種類的膜分離技術(shù)具有不同的作用機(jī)理和適用范圍，加之膜分離技術(shù)具有操作便捷、不需要使用化學(xué)物質(zhì)、常溫條件下便可實(shí)現(xiàn)等諸多優(yōu)勢(shì)，因此在當(dāng)今的很多工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。尤其是在食品發(fā)酵工業(yè)中，膜分離技術(shù)更體現(xiàn)出顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2 食品發(fā)酵工業(yè)中的膜分離技術(shù)主要應(yīng)用分析

2.1 檸檬酸發(fā)酵工業(yè)中的膜分離技術(shù)應(yīng)用

在檸檬酸發(fā)酵過(guò)程中，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝通常為沉淀法。在具體生產(chǎn)中，通過(guò)板框?qū)Πl(fā)酵物進(jìn)行過(guò)濾，以此來(lái)獲得過(guò)濾溶液，再通過(guò)石灰與溶液中的檸檬酸發(fā)生中和反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)檸檬酸三鈣沉淀物的獲取。析出這些沉淀物，通過(guò)少量高溫水洗滌，再通過(guò)濃硫酸使其進(jìn)一步溶解，這樣便獲取到檸檬酸溶液。但由于板框不具備足夠的過(guò)濾精度，因此后續(xù)的生產(chǎn)加工質(zhì)量都會(huì)受到不利影響，且會(huì)伴隨著大量的材料消耗和大量污染的產(chǎn)生。為有效避免這些問(wèn)題，在檸檬酸發(fā)酵工業(yè)中，可對(duì)不銹鋼管式膜加以合理利用，以此有效過(guò)濾細(xì)菌等各種不溶物質(zhì)，從而得到澄清的濾液，使后續(xù)生產(chǎn)得以順利有序地進(jìn)行，避免檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中大量材料的浪費(fèi)，并達(dá)到良好的環(huán)保效果。不銹鋼管式膜是將不銹鋼作為支撐的一種二氧化鈦過(guò)濾膜，其支撐管的主要組成部分是不銹鋼粉，將二氧化鈦鍍?cè)谄浔砻妫淠蜋C(jī)械性能和伸縮能力都非常好，具有良好的過(guò)濾穩(wěn)定性，很容易控制[2]。表2為不銹鋼管式膜的主要參數(shù)。

表2 不銹鋼管式膜的主要參數(shù)

2.2 味精發(fā)酵工業(yè)中的膜分離技術(shù)應(yīng)用

在味精的生產(chǎn)過(guò)程中，其發(fā)酵過(guò)程通常是由細(xì)菌來(lái)完成，但由于細(xì)菌直徑非常小，因此傳統(tǒng)的加工工藝不能將其完全過(guò)濾掉，導(dǎo)致細(xì)菌存在于發(fā)酵液中，這樣就會(huì)導(dǎo)致味精的結(jié)晶率降低，延長(zhǎng)其工藝路線，從而消耗更多生產(chǎn)成本。同時(shí)，由于味精發(fā)酵過(guò)程中需要應(yīng)用大量水資源，帶有細(xì)菌的廢液排放到廢水中，便會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定程度的污染。為有效解決上述問(wèn)題，也可將不銹鋼管式膜用來(lái)進(jìn)行味精發(fā)酵生產(chǎn)工業(yè)中的細(xì)菌過(guò)濾。該種膜的孔徑很小，可將細(xì)菌完全過(guò)濾除去，加之此種膜屬于無(wú)機(jī)膜，對(duì)污染具有足夠強(qiáng)大的抵抗能力，因此可在有效提升味精結(jié)晶率及其純度的同時(shí)避免細(xì)菌將廢水污染，并有效節(jié)約后續(xù)工藝的用水量。這對(duì)于味精生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)效率的提升和經(jīng)濟(jì)效益的保障都具有非常深遠(yuǎn)的意義，同時(shí)也可使其周邊的環(huán)境效益得到良好保障。

2.3 乳品發(fā)酵工業(yè)中的膜分離技術(shù)應(yīng)用

在乳品的發(fā)酵加工中，通過(guò)反滲透超過(guò)濾膜分離技術(shù)的合理應(yīng)用，可顯著提升其生產(chǎn)成效。在具體應(yīng)用中，可將反滲透膜和超濾膜用來(lái)進(jìn)行牛乳濃縮以及乳清蛋白回收，這樣不僅可提升乳品生產(chǎn)質(zhì)量，同時(shí)也可獲取更多乳制品品種。為使膜分離技術(shù)在乳品發(fā)酵工業(yè)中得到良好應(yīng)用，乳品生產(chǎn)企業(yè)與技術(shù)人員需要明確乳品中的各種成分分子大小。例如，在牛乳成分中，各種分子大小情況如表3所示。

表3 牛乳成分中的各種分子大小情況

在明確這些成分分子大小及其分子量后，便可根據(jù)各種膜組分的過(guò)濾功能進(jìn)行膜的合理選擇，從而使膜分離技術(shù)在乳品發(fā)酵工業(yè)中充分地發(fā)揮出其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[3]。

2.4 果汁濃縮發(fā)酵中的膜分離技術(shù)應(yīng)用

在果汁發(fā)酵工業(yè)中，膜分離技術(shù)也具有非常顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。尤其是在果汁濃縮中，反滲透膜更是得到了非常廣泛的應(yīng)用。將反滲透膜和菠蘿、梨、蘋果等果汁發(fā)酵加工工業(yè)程序相融合，可大幅提升其生產(chǎn)效率。在果汁發(fā)酵加工中，濃縮是一個(gè)關(guān)鍵的生產(chǎn)工序，這道生產(chǎn)工序?qū)⒅苯佑绊懝陌l(fā)酵生產(chǎn)效果，并對(duì)其產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。在傳統(tǒng)的果汁發(fā)酵工藝中，通常采取蒸發(fā)技術(shù)進(jìn)行果汁濃縮，但在高溫條件下，果蔬中的熱敏性物質(zhì)以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)都很容易受到不良影響，從而降低濃縮質(zhì)量。為有效避免此類問(wèn)題，在果汁發(fā)酵工業(yè)中，可引入反滲透膜，通過(guò)膜分離技術(shù)替代傳統(tǒng)的蒸發(fā)技術(shù)，從而使果汁中的有機(jī)水溶液或低分子有機(jī)物高效分離，從而確保果汁的生產(chǎn)質(zhì)量。

3 食品發(fā)酵工業(yè)中的膜分離技術(shù)應(yīng)用策略分析

3.1 膜分離技術(shù)在前期除菌滅菌中的應(yīng)用策略

在食品發(fā)酵工業(yè)中，生產(chǎn)加工企業(yè)和技術(shù)人員可將膜分離技術(shù)合理應(yīng)用到前期的除菌滅菌工藝中。①對(duì)富氧空氣進(jìn)行除菌處理，在發(fā)酵工業(yè)中，生產(chǎn)菌的繁殖及其代謝都需要應(yīng)用到溶解氧，而溶解氧的產(chǎn)生則需要無(wú)菌空氣。為全面消除富氧空氣中各種細(xì)菌，可通過(guò)氣體分離膜達(dá)到良好的除菌效果，從而進(jìn)一步提升空氣中的氧濃度，并增加生化反應(yīng)器內(nèi)的溶氧系數(shù)。②對(duì)培養(yǎng)基進(jìn)行滅菌處理，因動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)基中的一些激素等物質(zhì)并不具備良好的熱穩(wěn)定性，如果通過(guò)蒸汽法進(jìn)行滅菌處理，通常并不能收到良好的處理效果，此時(shí)，便可引入膜分離技術(shù)。該技術(shù)能在不加熱的情況下從動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)基中分離出細(xì)菌，在達(dá)到良好除菌效果的同時(shí)進(jìn)一步降低能源消耗。

3.2 膜分離技術(shù)在原材料預(yù)處理中的應(yīng)用策略

在食品的發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)膜分離技術(shù)的合理應(yīng)用，可使其原材料達(dá)到良好的預(yù)處理效果。例如，在干酪生產(chǎn)中，最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是原料奶的濃縮。在此過(guò)程中，生產(chǎn)企業(yè)便可利用反滲透膜或超濾膜，通過(guò)膜分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)原料奶的高效濃縮，以此來(lái)確保干酪產(chǎn)量及其質(zhì)量。在酸乳生產(chǎn)或乳清發(fā)酵的過(guò)程中，生產(chǎn)企業(yè)也可將反滲透膜分離技術(shù)應(yīng)用于預(yù)處理工作中，或借助于超濾膜分離技術(shù)提升原料質(zhì)量，從而為其創(chuàng)造良好的發(fā)酵條件。在食品發(fā)酵工業(yè)中的用水選取上，生產(chǎn)企業(yè)可合理利用反滲透膜和超濾膜，以達(dá)到良好的水質(zhì)軟化和除菌效果，并通過(guò)先進(jìn)的納濾膜分離技術(shù)進(jìn)一步脫除水中的離子，顯著提升水處理效果[4]。

3.3 膜分離技術(shù)在發(fā)酵過(guò)程控制中的應(yīng)用策略

在食品發(fā)酵工業(yè)中，膜分離技術(shù)也可用來(lái)控制其發(fā)酵過(guò)程。對(duì)于食品發(fā)酵而言，產(chǎn)物濃度等各方面的因素都會(huì)對(duì)其發(fā)酵質(zhì)量產(chǎn)生影響。為避免產(chǎn)物濃度對(duì)食品發(fā)酵質(zhì)量的不良影響，生產(chǎn)企業(yè)可通過(guò)膜分離技術(shù)控制整個(gè)發(fā)酵過(guò)程，及時(shí)將產(chǎn)物和胞外產(chǎn)物去除，從而降低產(chǎn)物濃度，避免產(chǎn)物和一些菌體對(duì)食品發(fā)酵的不良影響，確保食品發(fā)酵質(zhì)量。

3.4 膜分離技術(shù)在下游處理中的應(yīng)用策略

食品發(fā)酵工業(yè)的下游處理是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作。就目前來(lái)看，其下游處理主要包括3個(gè)環(huán)節(jié)，即產(chǎn)品分離、產(chǎn)品濃縮、產(chǎn)品純化。為有效確保下游處理工作質(zhì)量，食品生產(chǎn)企業(yè)可在下游處理中合理應(yīng)用膜分離技術(shù)。①可通過(guò)超濾膜將懸浮在食品中的蛋白質(zhì)多糖大分子和懸浮物質(zhì)去除；②通過(guò)超濾膜高效分離有機(jī)酸和氨基酸；③根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，合理選擇膜分離技術(shù)進(jìn)行下游的提純和回收處理。這樣不僅可顯著提升食品發(fā)酵的生產(chǎn)質(zhì)量，同時(shí)也可使食品發(fā)酵工業(yè)導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題得以良好解決。

3.5 膜分離技術(shù)在副產(chǎn)物與廢水處理中的應(yīng)用策略

在食品發(fā)酵工業(yè)中，膜分離技術(shù)在其副產(chǎn)物回收和廢水處理中也具有非常顯著的應(yīng)用效果。例如，對(duì)于乙醇等水解產(chǎn)物，可通過(guò)超濾膜和電滲透技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用來(lái)進(jìn)行分離和回收，對(duì)于溶解在廢水中的揮發(fā)性有機(jī)物，可通過(guò)膜分離技術(shù)與蒸發(fā)技術(shù)的聯(lián)合使用進(jìn)行分離和回收。在廢水處理中，通過(guò)膜分離技術(shù)和蒸發(fā)技術(shù)的結(jié)合，可將其中的異味物質(zhì)分離、去除，并使其中的可利用物質(zhì)得到有效回收[5]。通過(guò)這樣的方式，不僅可顯著提升食品發(fā)酵工業(yè)中的副產(chǎn)物回收效率與資源利用率，同時(shí)也可有效減少?gòu)U水量。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，食品發(fā)酵是大多數(shù)食品生產(chǎn)加工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。為有效提升食品發(fā)酵加工質(zhì)量，降低各種能源消耗和污染情況，膜分離技術(shù)開(kāi)始被廣泛應(yīng)用。基于此，相關(guān)企業(yè)和技術(shù)人員一定要充分了解膜分離技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用原理，并科學(xué)掌握不同的濾膜特征及其功能，從而使其在食品發(fā)酵工業(yè)中得以良好應(yīng)用。這對(duì)于膜分離技術(shù)的應(yīng)用、食品加工企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升與環(huán)境保護(hù)等都將起到非常積極的促進(jìn)作用。