1 引言

目前，水處理工業、牛乳工業、果汁與飲料工業中膜分離技術的應用已很普遍。在其它工業領域中的應用研究也在進行中。

與此同時，一些新型的膜分離技術也在不斷產生。如滲透蒸發技術、納濾、膜反應器、膜乳化、液膜、膜蒸餾等等。其中一些技術可望用于食品工業。目前，國內外開展了許多研究工作。某些技術的應用已在小范圍內實現了工業化。本文重點介紹滲透蒸發、納濾、膜反應器、膜乳化四種膜技術。

2 滲透蒸發（PV）

所謂滲透蒸發（簡稱PV），是指被分離物通過膜時，在膜兩側組分的蒸汽分壓差作用下，液體混合物部分地蒸發，從而達到分離目的的一種膜分離方法。

滲透蒸發技術不同于常規的膜分離技術，它在滲透過程中將產生由液相到氣相的轉變。相變 的產生是由于透過產品在膜的下游側的分壓低于其飽和蒸汽壓。其分離機制為：

（1）被分離物質在膜的進料側有選擇的吸附在膜表面。

（2）以擴散的形式在膜內滲透。

（3）在膜的另一側變為氣相與膜分離開。氣相由真空泵抽取，經冷凝器冷凝成液體被收集。

滲透蒸發技術的優點為：

（1）單級選擇性好，適合分離近沸點、恒沸點的混合物，適合回收含量少的物質。

（2）滲透蒸發過程簡單，易于掌握。

（3）在操作過程中，進料側不加壓，透過率不會隨時間的增長而減小，膜的壽命長。缺點是滲透通量較小。

滲透蒸發膜的性能優劣是滲透蒸發技術能否工業化的關鍵。滲透蒸發膜應具有良好的選擇性和滲透性。在應用過程中，膜的選擇由被分離物質決定。分離不溶于水的有機分子，如果汁中的芳香物質，采用疏水膜；分離水或其它親水性成分采用親水膜。

滲透蒸發技術由于具有驚人的單級高分離度，因而具有良好的應用前景。首先在二元恒沸有機溶劑的分離、異丙醇的脫水濃縮、無水乙醇的生產等方面實現工業化應用。目前，正在研究滲透蒸發技術在食品工業領域的應用，取得了很好的進展。下面介紹幾項應用研究。

2.1 回收果汁中的芳香物質

瑞典Lund大學的Hans O.E Karlsson等人曾研究用PV法回收蘋果汁中的芳香物質。蘋果汁中的香味物質包含大約300種揮發性物質，其濃度大約為200PPM，主要是酯類、醇類（主要是乙醇）和醛類物質。通常以香味的閾值來評價香味物質。所謂香味的閾值，就是香味能被感覺到的較低的香味物質溶液的濃度（溶劑為水）。酯類和醛類具有很低的閾值，是蘋果汁香味的重要成分。Hans O.E Karlsson等人用PV法做了一系列試驗，結果表明，使用PDMS-PT1100、PDMS-PEI、PDMS-PVDF這三種滲透蒸發膜能很好地回收影響蘋果汁風味的主要物質。

美國Illinois大學的N. Rajagopalan試驗用PV法回收葡萄汁中的香味物質（Methylanthranilate）取得了很好的效果，并且研究了操作條件的影響。

可見，采用滲透蒸發技術回收果汁中的芳香物質具有很好的應用前景。

2.2 分離乳制品的香味物質

法國的Arnaud Baudot等人曾研究了兩種乳制品的香味物質Daicetyl（丁二酮）和S-Methylthiobutanoate的分離。丁二酮具有黃油的味道，存在于消毒牛乳、酸乳酪等產品中，是生產人造黃油或其它脂肪產品的主要風味添加劑，由乳酸混合發酵制取。但丁二酮在乳酸發酵液中濃度很低（30～170mg/kg），而且具有自我抑制性，制取的效率很低。目前研究將滲透蒸發技術與發酵結合起來。實驗用PDMS1070膜，將發酵產生的丁二酮不斷與發酵液分離，增加了丁二酮的產率，提高了品質。S-Methylthiobutanoate屬于硫脂（Thioester）家族，具有很強的烹調花椰菜的味道，也是一種風味添加劑實驗用PEBA40膜將其與發酵液分離，同樣取得了很好的效果。

2.3 處理廢水

Zenon Environment公司研制出十字流滲透蒸發系統，該系統能去除廢水中的揮發性有機化合物（VOCs），去除率高達99.99%。VOCs借助真空通過滲透蒸發膜，經冷凝成為液體，可降低揮發性物質的排放。

2.4 制取低度酒

Hartmut Brueschke等人曾研究利用PV技術降低啤酒、白酒中的酒精含量。酒精和酒中的芳香物質通過滲透蒸發膜成為蒸汽。在0℃～30℃和0.5mBar～50mBar的條件下，酒精被冷凝下來，可除去。而芳香物質經多級冷凝成為液體，與降低了酒精含量的酒相混合，保證了酒的風味。這樣處理過的酒具有豐富的酒味，而酒精含量并不高，是很有前途的一種產品。

2.5 應用于蔬菜工業

目前研究用PV技術去除蔬菜加工中經漂白處理后所產生的廢水中的臭味，即含硫化合物。這樣能同時達到兩個目的：

（1）從環保角度看，去除了廢水中的臭味。

（2）從經濟角度看，回收了有價值的揮發性的物質。

3 納濾技術（Nanofiltration，簡稱NF）

納濾是近幾年開發的膜分離技術，發展很快，已應用于牛乳工業。

納濾膜的孔徑比反滲透膜稍大，截留粒子的直徑為幾個nm，分子量為200～500，允許通過單價離子、低分子量有機溶劑，對乳糖、蛋白質等有很低的透過率。

納濾的一個重要應用是乳清的部分脫礦質。目前，在澳大利亞、法國、愛爾蘭已有幾個部分脫礦質和濃縮鹽酸干酪乳清（用鹽酸進行牛乳酪蛋白酸化）的納濾系統。將干酪凝乳用NaCl鹽化后提取的乳清稱為“咸乳清”，咸乳清需經過脫礦質處理。在工業生產，通常是乳清經蒸發濃縮后，再由電滲析或離子交換法去礦質。如采用納濾技術來代替，將使乳清的濃縮和脫礦質一步完成，大大降低了能耗和成本。

納濾技術除了應用于乳品工業，在果汁加工業也有應用。The Nutrasweet公司的糖分離膜系統綜合應用了超濾和納濾技術。由于納濾膜能有效截留果汁中的糖類，能夠生產出高糖酸比率的營養果汁和低熱量的果汁，滿足人們不同的需求。

此外，納濾膜也用于形成生物反應器，將葡糖糖淀粉酶固化在NF膜上形成生物反應器將糊精轉化為葡萄糖，使用納濾膜，能截留未水解完全的糊精。Clemson大學的研究實驗表明用納濾膜比以前使用微濾膜效果更好。

4 膜反應器（Membrane Reactor）

目前，膜技術已不再局限于單純分離的范圍，將發應與分離結合在一起，形成了膜反應器。膜分離技術與化學反應結合，形成膜催化反應器和膜惰性反應器，用于化學工業。膜分離技術與生物反應結合，形成膜生物反應器，多用于發酵工業和生物工程領域。傳統的生物反應器為間歇式，工作效率低，產品性質不穩定。而膜生物反應器能連續運行，效率高，產品性質穩定。膜生物反應器有多種，這里重點介紹酶膜生物反應器。

酶是一種有機催化劑，催化活性高，在多種發酵過程中廣泛應用。但酶很難與反應母液分離開來，昂貴的酶使用一次就被拋棄，太浪費。使用酶膜反應器，能在反應后將酶與母液分開，酶得以重新利用。

酶膜反應器將酶固定在膜上，把分離過程和反應過程結合起來同時進行，可以簡化工藝操作，提高效率。酶膜生物反應器在生化工程中應用的效果是誘人的，主要是因為在反應過程中，反應生成物借助膜的半透作用，不斷向體系外排放，而酶和其它生物催化劑則留在體系內繼續反應，保持了較高的菌體濃度，強化了原料轉化效率，縮短了反應時間，簡化了生產流程。

酶在食品加工中的應用也很廣泛，所以酶膜生物反應器在食品工業中的應用前景廣闊。目前，它已經有了一定的應用，如用來生產乳酸菌發酵劑，進行蛋白質水解，淀粉水解，麥芽糖水解，連續糖化，去除廢水中能被生物降解的物質等。

5 膜乳化技術（Membrane Emulsification Technology）

乳化是食品加工中的一項重要技術，乳化效果的好壞直接影響產品的穩定性，分散相和分散介質的物理、化學性質。分散粒子不均勻的多分散相體系具有熱力學不穩定性，而分散粒子均勻的單分散相體系則相對穩定。能生成均勻粒子的體系一直是乳化技術追求的目標。傳統的乳化方法，如均質、膠體磨等形成的是分散質粒子不均的多分散體系。高壓均質技術是將分散粒子均質為亞微粒子，但不能從很廣的直徑范圍內得到均勻的分散粒子。日本用微孔濾膜進行乳化，實驗證明，能夠獲得良好的乳化效果，稱之為膜乳化技術。

所謂膜乳化技術就是將分散相加壓通過單一孔徑的微孔膜，使其分散于連續相中的一種乳化技術。

膜乳化的特點為：

（1）能夠制備分散粒子均勻的乳化液。

（2）通過選擇微孔膜膜孔直徑，可以得到所需直徑的分散粒子。

（3）既使分散相濃度很高，也能獲得穩定的乳化液。

具體應用過程中，應注意的是，如果膜的表面被分散相浸濕，則乳滴的大小不易控制。因此，制備水包油型（O/W）乳化液時采用親水性膜。相反，制備油包水型（W/O）乳化液時，應用疏水性膜。

目前，適合用于膜乳化系統的膜是由火山灰制成，稱之為Shirasu多孔玻璃膜（簡稱SPG膜）此膜較大的特點是孔均勻性強，耐堿。

膜乳化技術發明后，起初被用于煤油等烴類油的乳化。目前正在研究將膜乳化技術用于食品工業，制備穩定的食品乳化液。在日本，膜乳化法已經由森永乳業株式會社在乳品上進行了應用，生產出25%W/O型低脂型奶油產品。該產品是W/O乳化后經殺菌、冷卻、成型制成。由于連續相中脂肪含量低，經殺菌、急劇降溫、成型后容易與水分離，用其它乳化方法生產此產品是困難的，只有應用膜乳化技術才能生產出質量較好的該類產品。

但是，大規模應用膜乳化技術存在兩個主要問題：

（1）SPG膜在制備W/O型乳化液時，必須經過疏水化表面處理，才能滿足W/O體系的需要，然而SPG膜的疏水處理非常復雜，而且在使用表面處理時要考慮到是否影響食品衛生的問題。

（2）乳化速度太低，大約為10^-3m3/m2·hr左右。

長50cm，外徑10mm，厚1mm的管狀SPG膜的有效膜面積只有150cm3。目前，正在研究提高膜乳化速度的方法。

6 結束語

相信隨著對各種膜分離技術研究的深入，膜分離技術作為一種有效的分離技術，經過不斷發展、完善，將會在食品工業領域有著更廣泛的應用。