纳滤膜在食品工业中的应用

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1、多糖的分离和精制

米糖脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)结构复杂、生物学活性多样,可诱生干扰素及肿瘤坏死因了(TNF),直接或间接激活B淋巴细胞、T淋巴细胞及巨噬细胞,增强机体的特异性及非特异性免疫力,而且有效剂量低,一般每公斤体重的剂量仅在纳克(ng)数量级。

陈正行采用超滤和纳滤进行了分离浓缩米糖脂多糖提取液的研究。结果表明,超滤后米糖脂多糖提取液中蛋白和多糖杂质含量降低85.5%和89.6%。采用不加水循环纳滤的方式,浓缩倍数可达8倍,同时米糖脂多糖浓缩液中的87.4%的无机盐可除去。Matsubara等研究从大豆废水中提取大豆低聚糖。他们用超滤分离去除大分子蛋白,反渗透除盐和纳滤精制分离低聚糖。合成低聚糖则通过蔗糖的酶化反应来制取。为了得到高纯度低聚糖,需除去原料蔗糖和另一产物葡萄糖。

通常采用高效液相色谱法(HPLC)分离。但HPLC法处理量小,耗资大,并且需要大量的水稀释,因而后面浓缩需要的能耗很高。采用纳滤膜技术来处理可以达到高效液相分离法同样的效果,而且大大降低了操作成本。

2、果汁的高浓度浓缩

果汁的浓缩可以减少体积,便环境贮存和运输,又可提高其贮存的稳定性,传统上是用蒸馏法或冷冻法浓缩,不但消耗大量的能源,还会导致果汁风味和芳香成分的散失。人们考虑利用膜技术来浓缩。

在果汁浓缩过程中,随着果汁浓度的提高,渗透压也在提高,因此在利用反渗透进行果汁浓缩时,存在着一个浓缩上限(一般是30wt%),使得单一的反渗透法由于渗透压的限制委难以单级方式把果汁浓缩到较高浓度。纲滤膜的出现,很好地解决了这个问题。首先使用只能透过水的反渗透进行预浓缩,使第一级浓缩液浓度达到30%,30%的浓缩液再利用有一定溶质透过量的纳滤膜进行处理,这时,由于透过液中含有溶质,使得浓缩液与透过液之间的渗透压差减小,第二级浓缩液浓度达到40%。因此,即使是在7.0MPa的操作压力下,也可以进行渗透压为10.2MPa,浓度达到40wt%的浓缩操作。含有溶质的浓缩液再返回第一级的预浓缩工序中。这个系统可适用于各种果汁的浓缩,既可以保证果汁在浓缩过程中色、香、味不变,又可以节省大量的能源。

纳滤膜还可用超滤膜结合对桔子汁和洋李酸浸液进行浓缩脱盐。对洋李酸浸液,脱盐率达54.5%,有机酸脱除率可达80%,自身可被浓缩到10倍以上。

3、在乳品工业中的应用

3.1、牛奶及乳清蛋白的浓缩

利用纳滤膜浓缩的牛乳可以制成高级冰激淋。因在一般的浓缩乳中,由于存于其中的盐类也被浓缩,所制成的冰激淋口感不佳,面暖和纳举世瞩目膜浓缩的牛乳,盐类减少,使制成的冰激淋口感嫩滑,同时因为没有被加热,制品的奶味格外浓郁。

乳粉的贮藏过程中,最易发生的是风味变坏,我们把产生各种不良气味的物质称为杂味物质。利用纳滤分离,可以除这些物质。

由表2可以看到,未经处理的复原脱脂乳中杂味很强,评价较差。使用反渗透浓缩处理的乳,其风味在某种程度上得到改善,但由于盐类和乳糖都被浓缩,咸味与甜味都被增强,使总体评价降低。而使用纳滤膜,选择适当的浓缩比进行处理,不仅除去了乳中的杂味成分,还使脱脂乳具有盐类平衡的良好风味。

表2利用膜分离进行风味改变的效果比较

4、氨基酸的分离和纯化

氨基酸的分子量价

了100-1000之间,纳滤的截留分子量为200-1000因此纳滤分离氨基酸主要靠电荷效应起作用。氨基酸带有离子官能团如羧基或氨基,在等电点时是中性的,纳滤膜对于处于等电点状态的氨基酸溶质的截留率几乎为零。当高于或低于等电点时氨基酸带正电荷或负电荷,因为溶质离子与膜之间产生静电排斥,使膜对偏离等电点状态的氨基酸溶质有较高截留率。调整溶液的pH值,使不同的氨基酸在不同的pH值时带上不同的电荷,利用膜的电荷效应分离和纯化分子量接近的氨基酸。

根据上述原理,王晓琳等设计了苯丙氨酸和天冬氨酸的纳滤分离过程。当pH=8时,处理质量比率为0.15的苯丙氨酸与天冬氨酸混合原料液,操作压力为1.0MPa,温度为35℃,料液流量1.22×10-4m3/s,选用有效面积为5.1m2的纳滤膜组件进行分离操作。结果使苯丙氨酸与天冬氨酸质量比率降为0.04。

5、饮用水净化

水污染的日益加剧,使人们对饮用水水质越来越关心。美、欧、日等发达国家都有改善水质的计划,如日本的MAC-21计划和新MAC-21计划,将膜技术作为水净化的最有效手段。欧、美等国也支持了许多膜法(NF)水净化试验,效果明显。特别是NF,可能成为21世纪水净化的首选技术,因为NF可去除消毒的副产物、痕量的除草剂、杀虫剂、重金属、天然有机物及部分硬度、SO2-4和NO-3等。一般的过程为:进水→预处理(絮凝、过滤等)→MF(UF)→NF→(备用)其优点是水质好且稳定,化学药剂用量少,占地少,节能,省劳力,易管理和维修,基本上可零排放。

6 、膜生化反应器的开发

我国是制糖大国,糖蜜废水中含有较高的COD及色度,其中由焦糖色素引起的COD,BOD及色度是一般生物方法不能完全处理的。制糖业废水的直接排放将对环境造成严重污染。潘巧明等采用膜生物反应器(MBR)与纳滤(NF)相联合的集成膜技术处理糖蜜废水,取得了较好的结果,可达到国家一级排放标准。废水回收率大于80%,具有较高的推广应用价值。具体参见http://www.ryzekj.com更多相关技术文档。

Jeantet等将纳滤膜与CSTR(连续搅拦反应器)耦合组成纳滤膜生物反应器(NFMBR)用于乳酸的半连续生产,利用膜截留底物和菌体细胞而乳酸被不断移去,得到较高的产率约为7.1g/L.h,乳酸浓度为55g/L。膜反应器是一项急待开发的新型技术,目前工业进展较慢,但由于它的卓越性能,必将得到广泛的应用。

7、其他应用

纳滤膜分离技术在食品工业中的其他应用:

1)与超临界萃取结合,从鱼油中分离出甘油三酯。

2)从废糖液中回收更多的糖

3)浓缩分离1,6—二磷酸果糖

4)分离和纯化环糊精、乳酸酯、酵母、有机酸等。

5)用于酱油、氨基酸调味料等的脱色。

8、结束语

纳滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间,同时还存在Donann效应,因此对低分子量有机物和盐的分离有很好的效果,并具有不影响分离物质生物活性、节能、无公害等特点,在食品工业得到越来越广泛的运用。但纳滤膜的应用同时也存在一些问题,如膜污染等,并且由于食品业对卫生要求极严,膜需要经常的杀菌、清洗等处理,使得该技术的广泛使用受到一定的影响。作为一种新兴的膜分离技术,纳滤膜独特的分离性能存在众多的优越性,是一个新兴的值得瞩目的领域,必将会有广阔的发展前景。

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