膜分離技術(shù)在食品發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用研究

封雪 惠香 呂曉超

摘 要：面對(duì)日益增加的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力，諸多食品生產(chǎn)企業(yè)逐步加大了對(duì)先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用力度，以期提高食品生產(chǎn)的質(zhì)量與效率。膜分離技術(shù)作為一項(xiàng)高新分離技術(shù)，具有設(shè)備操作簡(jiǎn)便、處理效率高、節(jié)省能量等諸多優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到了食品發(fā)酵工業(yè)領(lǐng)域的廣泛青睞。在膜分離過(guò)程中，往往會(huì)涉及到發(fā)酵、酶催化、廢水處理等生物轉(zhuǎn)化過(guò)程。本文將食品發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)作為研究對(duì)象，分析了膜分離技術(shù)在食品發(fā)酵工業(yè)領(lǐng)域的具體應(yīng)用，以期為后續(xù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：膜分離技術(shù);食品發(fā)酵工業(yè);應(yīng)用研究

Application of Membrane Separation Technology in Food Fermentation Industry

FENG Xue， HUI Xiang， LV Xiaochao

（Dalian Product Quality Inspection and Testing Institute Co.， Ltd.， Dalian 116000， China）

Abstract： In the face of increasing market competition pressure， many food production enterprises have gradually increased the application of advanced technology， in order to improve the quality and efficiency of food production. As a high-tech separation technology， membrane separation technology has many advantages， such as simple equipment operation， high treatment efficiency and energy saving. In recent years， it has been widely favored in the field of food fermentation industry.? In the process of membrane separation， fermentation， enzyme catalysis， wastewater treatment and other biological transformation processes are often involved. The food fermentation industry was taken as the research object， and the specific application of membrane separation technology in food fermentation industry were analyzed in this paper， in order to provide reference for subsequent research.

Keywords： membrane separation technology; food fermentation industry; application countermeasures

膜分離技術(shù)具有設(shè)備操作簡(jiǎn)便、處理效率高、節(jié)省能量等諸多優(yōu)勢(shì)，在熱敏、物料、無(wú)相變等分離過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，且取得了較為明顯的成效。通過(guò)將膜分離技術(shù)應(yīng)用到食品發(fā)酵工業(yè)中，可以對(duì)分離、濃縮、分級(jí)與純化發(fā)酵產(chǎn)品等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。為了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，充分發(fā)揮出膜分離技術(shù)的應(yīng)有價(jià)值，推動(dòng)食品發(fā)酵工業(yè)行業(yè)獲得穩(wěn)步健康發(fā)展，食品發(fā)酵行業(yè)正不斷加大對(duì)膜分離技術(shù)的應(yīng)用研究。

1 膜分離技術(shù)概述

膜分離技術(shù)在分離雙組分或者多組分的溶質(zhì)與溶劑方面發(fā)揮著重要作用。分離過(guò)程的順利進(jìn)行離不開(kāi)外界能量位差。在應(yīng)用膜分離技術(shù)時(shí)，通常選用高分子薄膜作為膜材料，將溶質(zhì)與溶劑初步分離作為基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)分級(jí)提純，實(shí)現(xiàn)溶劑與溶質(zhì)間的融合。

膜分離的過(guò)程可以視作為篩分過(guò)程。在篩分環(huán)節(jié)，往往會(huì)受到諸多因素的影響，如溶質(zhì)、溶劑分子與膜間會(huì)同時(shí)存在吸引或者排斥現(xiàn)象，水與溶液對(duì)膜的優(yōu)先吸附，或者一些特殊的負(fù)分離等作用[1]。

由于膜分離技術(shù)的種類(lèi)具有多樣性，且不同膜分離技術(shù)的機(jī)理和適用范圍等也各有不同，因此在應(yīng)用過(guò)程中需要根據(jù)實(shí)際需求選擇最合適的膜分離技術(shù)。在應(yīng)用實(shí)踐中，由于膜分離可以在常溫下進(jìn)行，整體操作較為便捷，資金投入較低，對(duì)環(huán)境污染較小，因此在越來(lái)越多的生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

2 膜分離技術(shù)在食品發(fā)酵工業(yè)中的優(yōu)勢(shì)

（1）膜分離技術(shù)的節(jié)能效果良好。在食品發(fā)酵工業(yè)中，傳統(tǒng)蒸發(fā)法的脫水效果較為顯著，被廣泛應(yīng)用。但此方法脫水時(shí)間較長(zhǎng)，主要表現(xiàn)為通過(guò)將水加熱，使其變成蒸汽，進(jìn)而完成蒸發(fā)工序，因此能耗較大。通過(guò)采用膜分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)脫水操作規(guī)避了變相過(guò)程，可以大幅度縮減能耗量[2]。

（2）膜分離技術(shù)有助于避免原材料中的營(yíng)養(yǎng)成分流失。食品在加熱蒸發(fā)過(guò)程中，由于溫度的不斷升高，耐熱性差的營(yíng)養(yǎng)成分會(huì)遭受不同程度的破壞。而膜分離技術(shù)無(wú)需加熱，可以在常溫下完成脫水操作，避免了食品中的營(yíng)養(yǎng)成分被大量破壞。因此，將膜分離技術(shù)應(yīng)用到食品發(fā)酵中，可以有效保障產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

（3）膜分離技術(shù)有助于優(yōu)化工藝流程，節(jié)省操作步驟。對(duì)于飲料生產(chǎn)而言，傳統(tǒng)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)多采用巴氏殺菌或者添加化學(xué)防腐劑等方式，以確保生產(chǎn)的產(chǎn)品符合食品衛(wèi)生要求。通過(guò)科學(xué)合理地應(yīng)用微濾膜技術(shù)，可有效替代巴氏殺菌或者化學(xué)防腐[3]。例如，在生產(chǎn)果汁的澄清環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)方法是在反應(yīng)中加入適量的酶，并通過(guò)過(guò)濾或者離心分離操作等完成果汁澄清工作。該環(huán)節(jié)需要投入大量的時(shí)間與精力、占地面積大、投入成本高，影響了食品生產(chǎn)者的生產(chǎn)效益。而通過(guò)采用超濾技術(shù)澄清果汁，不僅能減少反應(yīng)缸、泵、壓縮機(jī)和資金投入，還能從整體上提高果汁產(chǎn)量，增加企業(yè)的生產(chǎn)效益。

3 膜分離技術(shù)在食品發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用

3.1 富氧空氣除菌

溶解氧是生產(chǎn)菌繁殖或者代謝不可或缺的物質(zhì)，無(wú)菌空氣有助于溶解氧的產(chǎn)生。氣體分離膜可以推動(dòng)除菌工作順利進(jìn)行，并提高空氣氧濃度與生化反應(yīng)器中溶氧系數(shù)。

3.2 培養(yǎng)基滅菌

動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)基存在一些對(duì)熱不穩(wěn)定的激素等物質(zhì)，此時(shí)若采用蒸汽滅菌法，往往成效甚微。通過(guò)合理引入膜分離技術(shù)，無(wú)需加熱即可以實(shí)現(xiàn)除菌功效[4]。將膜分離技術(shù)應(yīng)用在連續(xù)發(fā)酵工藝中，整體的除菌操作較為簡(jiǎn)單，能源消耗較小。

3.3 原料預(yù)處理操作

濃縮原料奶是干酪生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。借助超濾或反滲透技術(shù)可以減少運(yùn)輸環(huán)節(jié)的資金投入，且可以保證干酪生產(chǎn)質(zhì)量與產(chǎn)量。在使用乳清發(fā)酵或者生產(chǎn)酸乳時(shí)，生產(chǎn)者可以借助反滲透技術(shù)展開(kāi)預(yù)處理操作，或者在超濾澄清技術(shù)的支撐下改善原料質(zhì)量，從而為發(fā)酵工作營(yíng)造良好的條件。在選取食品工業(yè)用水時(shí)，生產(chǎn)者可以通過(guò)超濾除菌技術(shù)與反滲透法，高效地完成水軟化與除菌操作，通過(guò)新興的納濾技術(shù)可以有效提高水處理操作成效，并提高離子的脫除率。

3.4 合理管控發(fā)酵過(guò)程

在食品發(fā)酵中，發(fā)酵生產(chǎn)質(zhì)量與產(chǎn)量會(huì)受到產(chǎn)物濃度等因素的影響。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，膜生物反應(yīng)器有助于優(yōu)化發(fā)酵工序。此外，合理應(yīng)用膜分離技術(shù)有利于去除產(chǎn)物或胞外產(chǎn)物，防止菌體或者產(chǎn)物對(duì)發(fā)酵質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面作用。

3.5 提高下游處理成效

在食品發(fā)酵工業(yè)中，下游處理工作具有繁雜性，多被細(xì)化為產(chǎn)品分離、濃縮與純化3個(gè)環(huán)節(jié)。在多數(shù)食品發(fā)酵生產(chǎn)中，往往會(huì)應(yīng)用到超濾膜。借助超濾膜，可以去除食品中的懸浮物及蛋白質(zhì)多糖類(lèi)大分子物質(zhì)。借助液膜技術(shù)，可以高效地分離氨基酸與有機(jī)酸[5]。此外，膜分離技術(shù)在黃原膠、味精等提純濃縮處理環(huán)節(jié)中，可以提高產(chǎn)品的純度與回收率，有效減少了環(huán)境污染等問(wèn)題，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。

3.6 選擇性去除產(chǎn)品中的成分

借助微濾操作可以有效去除啤酒中含有的酵母菌，推動(dòng)生啤生產(chǎn)工作順利進(jìn)行。采用反滲透法可以有效把控啤酒或者葡萄酒中的乙醇含量[6]。此外，搭配使用滲透蒸發(fā)方法可以將芳香成分回收到一起，從而降低酒精含量，生產(chǎn)出更多符合市場(chǎng)需求的無(wú)醇啤酒，或者低度數(shù)的葡萄酒。

3.7 推動(dòng)產(chǎn)品檢測(cè)工作有序開(kāi)展

在食品發(fā)酵工業(yè)中，膜分離技術(shù)可以被應(yīng)用到產(chǎn)品檢測(cè)環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)性。在傳統(tǒng)的產(chǎn)品檢測(cè)工作中，所采用的微生物分析方法較為煩瑣，且時(shí)間具有滯后性[7]。為了滿足大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)所需，通過(guò)將膜分離技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品檢測(cè)中，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中的細(xì)菌總數(shù)與大腸桿菌數(shù)，進(jìn)而提高產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性與及時(shí)性。

3.8 便于副產(chǎn)物回收與廢水處理

超濾與電滲透技術(shù)可以有效作用于乙醇等物質(zhì)中的水解產(chǎn)物。通過(guò)運(yùn)用滲透蒸發(fā)方法，可以去除廢水中揮發(fā)性的有機(jī)物組分[8]。此外，借助滲透蒸發(fā)方式可以有效去除廢水中含有的異味物質(zhì)，并回收廢水中可利用的物質(zhì)。在實(shí)際應(yīng)用中，膜分離技術(shù)有助于減少?gòu)U水量，增加可利用物質(zhì)的回收效率，進(jìn)而提高資源利用率。

3.9 連續(xù)發(fā)酵

近年來(lái)，隨著膜分離技術(shù)的不斷進(jìn)步，有研究者在合理應(yīng)用膜生物反應(yīng)系統(tǒng)后，通過(guò)連續(xù)發(fā)酵的方式成功生產(chǎn)出了二羥基丙酮[9]。與間歇式發(fā)酵方式相比，連續(xù)發(fā)酵方式下的二羥基丙酮體積產(chǎn)率可提高2～3倍，且能明顯縮短發(fā)酵時(shí)間。此外，有些生產(chǎn)者將膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)應(yīng)用到靈芝多糖發(fā)酵環(huán)節(jié)，將積累產(chǎn)物對(duì)合成過(guò)程的影響降到了最低，并大幅度提高了生產(chǎn)質(zhì)量與效率。

4 膜分離技術(shù)在食品發(fā)酵工業(yè)中的具體應(yīng)用體現(xiàn)

4.1 膜分離技術(shù)在果汁濃縮中的應(yīng)用

反滲透技術(shù)在果汁濃縮生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。通過(guò)將反滲透技術(shù)與蘋(píng)果、梨、菠蘿等水果汁加工相融合，能大幅度提高生產(chǎn)成效。濃縮是果汁加工中的重要工序，此項(xiàng)工序的生產(chǎn)質(zhì)量直接影響到果汁質(zhì)量。傳統(tǒng)果汁濃縮環(huán)節(jié)常采用蒸發(fā)技術(shù)，因果蔬的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或者熱敏性物質(zhì)極易受到高溫的影響，直接降低了果汁濃縮質(zhì)量。通過(guò)引入膜分離技術(shù)中的反滲透技術(shù)，有效解決了傳統(tǒng)蒸發(fā)技術(shù)中的不足。將反滲透技術(shù)應(yīng)用到果汁濃縮環(huán)節(jié)時(shí)，便于將分子中的低分子有機(jī)物或者有機(jī)物水溶液進(jìn)行高效分離。

4.2 膜分離技術(shù)在乳品工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

在乳品工業(yè)生產(chǎn)中，通過(guò)合理應(yīng)用反滲透超過(guò)濾技術(shù)，可大幅度提高乳品生產(chǎn)成效。依托反滲透與超過(guò)濾技術(shù)可高效濃縮牛乳、回收乳清蛋白。在牛乳與乳品加工中，借助超過(guò)濾法可從干酪乳清中高效回收乳清蛋白以及濃縮脫脂牛乳。大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明，科學(xué)合理應(yīng)用膜分離技術(shù)，可以獲取更多的乳制品品種，進(jìn)而提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

膜分離技術(shù)的價(jià)值已得到了食品生產(chǎn)行業(yè)的廣泛認(rèn)可。大量的應(yīng)用實(shí)踐表明，膜分離技術(shù)的先進(jìn)性使其在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源節(jié)約、污染防治等諸多方面發(fā)揮出了重要作用。尤其在食品發(fā)酵工業(yè)中，下游工程在此項(xiàng)技術(shù)的支撐下，獲得了良好的發(fā)展。與此同時(shí)，生物膜與膜反應(yīng)器在生物反應(yīng)中也發(fā)揮出良好的應(yīng)用成效。盡管膜分離技術(shù)在應(yīng)用中存在著些許不足，但是其固有的優(yōu)勢(shì)，使其整體的應(yīng)用范圍呈現(xiàn)出逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)。尤其是隨著制膜分離技術(shù)的不斷發(fā)展及材質(zhì)范圍的不斷擴(kuò)大，膜分離技術(shù)仍然具有良好的應(yīng)用前景。本文從富氧空氣除菌、培養(yǎng)基滅菌、原料預(yù)處理操作及發(fā)酵過(guò)程管控等幾個(gè)方面分析了膜分離技術(shù)在食品發(fā)酵工業(yè)中的具體應(yīng)用，希望相關(guān)工作者可以從中得到一定的啟發(fā)或者幫助，并以此推動(dòng)我國(guó)食品發(fā)酵工業(yè)獲得有序、持續(xù)性發(fā)展。

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