谈超滤在食品加工中的应用

2022-10-03

作为一门新兴的学科, 美国、日本、西德、丹麦等国对超滤技术在食品加工方面的应用研究、开发十分活跃, 已形成了商业化生产。他们将超滤技术广泛用于果汁的澄清、提纯、奶制品浓缩等。有关的超滤装置发展很快, 其特点是机、电、仪一体化计算机自动控制, 多层次、多系列向大型化发展, 数台或更多的泵并列组成的大型装置, 膜面积己近万平方米, 每小时处理果蔬汁近四十吨。根据通透量大小, 自动控制洗膜。工作效率有了很人的提高, 稳定通透量一般在100L/m2·h以上 (苹果汁为准) , 但对如何解决凝胶极化, 增加单位膜面积工作效率, 扩大实用性等问题, 还在更深一步的研究中。

国内对超滤技术在食品加工方面的应用研究是从七十年代中、后期开始的, 开始主要是在环保、化工等非食品加工行业进行的, 搞膜材料研究的人很齐备, 而搞装置的人很少, 故膜及其理论研究较多, 装置研究少, 加之行业的关系, 难以对超滤技术应用于食品加下进行很全面、系统的研究。而在食品加工行业, 对超滤技术应用于食品加工研究的人或单位又极少, 科研设施和手段也难以适应市场的需求。加之, 国外膜及组件的大量涌入, 己难以依靠自己的力量进行系统的开发和研究。

但将超滤技术应用于食品加工, 在技术上, 不仅能够实现液体食品中各物质分子间的分离, 满足特殊需要, 而且简化了传统的加工工艺, 获得更高品位的饮料产品, 应该说是技术产业的一次革命。经济上, 因超滤法是在常温下加工, 又具有除菌的作用, 不需附加的热源, 这样既降低了能耗及这部分投资, 又保持了饮料原有风味和营养价值。同时, 也能满足国内不断发展的经济形势的需要, 积极开拓我国食品加工技术新的领域, 提高技术装备的水平, 缩小与发达国家的差距。

1 超滤原理及特点

超滤的分离机理一般认为是筛孔分离, 以静压差 (0.1MPa~0.5MPa) 或浓度差为驱动力, 原料液中溶剂及小溶质粒子从高压的料液侧被透过膜到低压侧, 大分子组分因被膜所阻挡而得到分离。通常将其用于溶液中大小分子、胶体、悬浮液、蛋白质、微粒、有机物、细菌和其他微生物等与溶剂的分离。除了筛分作用外, 粒子在膜表面微孔内的吸附和在膜孔中的阻塞也使大分子被截留。所以超滤往往既有筛分过滤作用, 也有选择渗透作用。

超滤所使用的操作条件温和, 所需的工作压力较小, 温度也比较低, 对膜片影响很小;分离环境密闭, 分离过程在常温密闭环境下进行, 对蛋白质等热敏性物质以及一些挥发性物质几乎没有损害, 可提高产品的质量。

2 超滤技术在食品加工业中的应用

超滤最大优点在于不需要加入任何助滤剂, 操作温度及p H值均可根据处理物料的要求进行控制及调整。自20世纪80年代开始, 国外已在苹果汁、橙汁、梨汁、葡萄汁、柠檬汁、番茄汁等果蔬汁的生产加工中采用超滤等膜分离技术, 以实现对其除菌、澄清和浓缩。另外, 还广泛应用于超纯水, 奶酪, 乳清, 蛋白, 酒, 醋等产品的生产过程。

2.1 超滤在果蔬汁生产中的应用

超滤技术可以代替传统的酶解法进行果汁的澄清。研究发现超滤技术可使果汁、果胶, 同时实现分离、提纯, 且分离过程短时、常温, 使得果汁的色泽及风味都保持较好。

果汁加工采用超滤和反渗透以后, 可以做到节能, 质量好, 芳香成分、糖类、氨基酸、矿物质和水分等小分子物质则透过超滤膜得以大部分保留, 脂溶性成分保留多, 因此浓缩果汁再生产后与鲜果汁无多大差别, 保存期长, 经过超滤的果蔬汁不仅质量好, 还能得到长期积存。有研究发现, 在果汁脱色膜材选择方面, 聚醚砜/聚乙烯吡咯烷酮膜相比较于再生纤维素膜更能有效减少多酚类物质, 减缓变色, 流量也显著增大。

2.2 超滤在乳品工业中应用

超滤在乳品工业中可用于奶酪制造以及从乳清中分离免疫球蛋白等。超滤工艺生产的奶酪的产量相比传统工艺可增加21%, 超滤所得蛋白质、脂肪和总固形物回收率分别为21%~26%, 15%~19%和17%~22%。此外, 超滤过程中, 加工时间、盐、发酵、凝乳酶和氯化钙用量分别减少了83%~85%, 83.3%, 75%, 82.5%和75%。超滤工艺制作的奶酪质量显著高于传统工艺。

2.3 纯化饮用水

超滤技术在水处理工业中也得到广泛应用。超滤法制备超纯水, 能够弥补过去使用离子交换树脂不能有效除去有机物、胶体和细菌的缺点, 生产出来的超纯水水质和纯度都超过了其他同类产品。

Klaus Hagen经过2个试点工厂和5个微滤和超滤的模块, 通过2年以上的正确操作证明, 尽管原水水质有波动, 仍然能安全彻底清除细菌和寄生虫。Shengji Xia等人研究发现, 具有适度浊度的原水用混凝—超滤处理, 能有效地去除浊度;铁, 锰, 铝被完全滤除掉;所有大肠菌群也被完全滤过。过滤水中有机碳总量的减少量符合要求。经处理后的水质量符合中国的饮用水准则。

2.4 超滤在酿造工业中的应用

在酿酒工业, 酱油和醋制造行业中超滤也起到提纯, 澄清, 除菌等作用。实验证明, 与传统方法相比, 超滤不仅具有简单操作简单, 缩小生产成本特点, 还能使得成品酒具有较好清澈度, 芳香度, 外观更透明。用超滤膜分离技术进行葡萄酒的提纯可以在不加化学试剂的情况下制得透明的葡萄酒;还可以降低葡萄酒中乙醇的含量同时能除去引起葡萄酒褐变的物质, 如多酚及造成浑浊的大分子蛋白等。使酒获得良好的保存性, 其风味有所改善, 变得清爽而醇香延绵;还能达到除菌目的, 省却杀菌操作, 避免酒因加热杀菌而形成的浑浊成分的析出。

3 超滤技术的发展前景

超滤技术由于具有在低温下操作、无相变、能较好地保持汁液风味及营养成分等优点, 使得其在食品行业中的应用不断扩大。但在使用上还有其局限性。制约超滤技术产业化应用的主要障碍是膜污染。超滤应用中的设备购入价格、膜配件价格、大功率高压泵电耗、必需配备的环境设施, 以及配件采购或生产运行的高成本制约超滤的大量应用。有关膜污染问题, 只有通过定期按照正确方法清洗膜来加以解决。膜制造工艺的研究, 降低造价, 开发新材料, 提高膜的性能是解决超滤应用中成本问题的关键。超滤技术将在各行业的发展中起巨大作用。国外膜产品大量涌入中国市场, 将加速国内膜技术的成熟, 膜分离技术的应用领域也将不断扩大。

摘要：超滤作为一种高新食品加工技术, 已得到广泛应用。简要介绍了超滤技术, 综述了超滤在果蔬汁、乳品业、饮用水、酿造业和蛋白浓缩等食品加工中的应用状况。

关键词：超滤,食品加工,应用