膜浓缩在食品加工中的应用成果

膜浓缩是一种类似于过滤的浓缩方法，只不过“过滤介质”为天然或人工合成的高分子半透膜，如果“过滤”膜只允许溶剂通过，把溶质截留下来，使溶质在溶液中的相对浓度提高，就称为膜浓缩。如果在这种“过滤”过程中透过半透膜的不仅是溶剂，而且是有选择地透过某些溶质，使溶液中不同溶质达到分离，则称为膜分离。

（一）膜浓缩的种类及操作原理

在膜技术应用中常根据浓缩过程的推动力不同进行分类，膜浓缩的动力除压力差以外，还可以采用电位差、浓度差、温度差等。目前在工业上应用较成功的膜浓缩主要有以压力为推动力的反渗透（Reverse Osmosis，简称RO）和超滤（Ultra Filtration，简称UF），以及以电力为推动力的电渗析（ED）。由于膜浓缩不涉及加热，所以特别适合于热敏性食品的浓缩。与蒸发浓缩和冷冻浓缩相比，膜浓缩不存在相变，能耗少，操作比较经济，且易于连续进行。目前膜浓缩已成功地应用于牛乳、咖啡、果汁、明胶、乳清蛋白等的浓缩。

1.反渗透

溶液反渗透是利用反渗透膜选择性地只能透过溶剂（通常是水）的性质，对溶液施加压力以克服溶液的渗透压，使溶剂通过半透膜而使溶液得到浓缩。其原理如图2-31所示。

图2-31 渗透与反渗透原理图

当纯水与盐水用一张能透过水的半透膜隔开时，纯水将自发地向盐水侧流动，这种现象称为渗透。水分子的这种流动推动力，就是半透膜两侧水的化学势差。渗透要一直进行到盐水侧的静压力高到足以使水分子不再向盐水侧流动为止。平衡时的静压力即为盐水的渗透压。如果往盐水侧加压，使盐水侧与纯水侧的压差大于渗透压，则盐水中的水将通过半透膜流向纯水侧，此过程即反渗透。

反渗透的最大特点就是能截留绝大部分和溶剂分子大小同一数量级的溶质，从而获得相当纯净的溶剂（如纯水）。

2.超滤

应用孔径为1.0～20.0nm（或更大）的半透膜来过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微细粒子在溶液中得到浓缩的过程称之为超滤浓缩。与反渗透类似，超滤的推动力也是压力差，在溶液侧加压，使溶剂透过膜而使溶液得到浓缩。与反渗透不同的是，超滤膜对大分子的截留机理主要是筛分作用，即符合所谓的毛细孔流模型。决定截留效果的主要是膜的表面活性层上孔的大小和形状。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。由于理想的分离是筛分，因此要尽量避免吸附和阻塞的发生。在超滤过程中，小分子溶质将随同溶剂一起透过超滤膜，如图2-32所示。超滤所用的膜一般为非对称性膜，能够截留相对分子质量为500以上的大分子和胶体微粒，所用压差一般只有0.1～0.5MPa。

像反渗透一样，超滤也存在浓差极化问题，即在溶液透过膜时，在高压侧溶液与膜的界面上有溶质的积聚，使膜界面上溶质浓度高于主体溶液的浓度。图2-33是膜两侧浓度分布示意图。图中C₁是浓溶液主体浓度，C₂是由于浓差极化造成的比C₁高的膜表面上的浓度，C₃是透过液浓度。

超滤截留的溶质多数是高分子或胶体物质，浓差极化时这些物质会在膜表面上形成凝胶层，严重地阻碍流体的流动，使透水速率急剧下降。此时若增加操作压力，只能增加溶质在凝胶层上的积聚，使胶层厚度增加，导致分离效率下降。因此，增大膜界面附近的流速以减薄凝胶层厚度是十分重要的。

图2-32 超滤原理

图2-33 膜两侧的浓度分布图

3.电渗析

电渗析是在外电场的作用下，利用一种对离子具有不同的选择透过性的特殊膜（称为离子交换膜）而使溶液中阴、阳离子与其溶剂分离。由于溶液的导电是依靠离子迁移来实现的，其导电性取决于溶液中的离子浓度和离子的绝对速率。离子浓度愈高，离子绝对速率愈大，则溶液的导电性愈强，即溶液的电阻率愈小。纯水的主要特征，一是不导电，二是极性较大。当水中有电解质（如盐类离子）存在时，其电阻率就比纯水小，即导电性强。电渗析正是利用含离子溶液在通电时发生离子迁移这一特点。

图2-34所示为电渗析的原理图。当水用电渗析器进行脱盐时，将电渗析器接以电源，水溶液即导电，水中各种离子即在电场作用下发生迁移，阳离子向负极运动，阴离子向正极运动。由于电渗析器两极间交替排列多组的阳、阴离子交换膜，阳膜（C）只允许水中的阳离子透过而排斥阻挡阴离子，阴膜（A）只允许水中的阴离子透过而排斥阻挡阳离子。因而在外电场作用下，阳离子透过阳离子交换膜向负极方向运动，阴离子透过阴离子交换膜向正极方向运动。这样就形成了称为淡水（稀溶液）室的去除离子的区间和称为浓水（浓缩液）室的浓离子的区间，在靠近电极附近，则称为极水室。在电渗析器内，淡水室和浓水室多组交替排列，水流过淡水室，并从中引出，即得脱盐的水。

图2-34 电渗析的原理图

离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜。如图2-35所示，它之所以具有选择透水性，主要是由于膜的孔隙度和膜上离子基团的作用，膜上的孔隙可允许离子的进出和通过。这些孔隙，从膜正面看是直径为几十埃至几百埃的微孔；从膜侧面看，是一条条弯弯曲曲的通道。水中离子就是在这些通道中做电迁移运动，由膜的一侧进入另一侧。膜上的离子基团是在膜高分子链上连接着的一些可以发生解离作用的活性基团。凡是在高分子链上连接的是酸性活性基团（如—SO₃H）的膜就称为阳膜，连接的是碱性活性基团（如—N（CH₃）₃OH）的膜就称为阴膜。例如一般水处理常用的磺酸型阳离子交换膜其结构为：R-SO₃-H⁺，其中R为基膜，—SO₃H为活性基团，—SO₃—为固定基团，H⁺为解离离子；季胺型阴离子交换膜的结构为：R-N⁺（CH₃）₃-OH^-，其中R为基膜，—N⁺（CH₃）₃OH为活性基团，—N⁺（CH₃）₃—为固定基团，—OH^-为解离离子（又称反离子）。

图2-35 离子交换膜作用示意图

在水溶液中，膜上的活性基团会发生解离作用，解离产生的离子进入溶液，于是在膜上就留下了带一定电荷的固定基团。在阳膜上留下的是带负电荷的基团，构成了强烈的负电场，在外加直流电场的作用下，根据同性相斥、异性相吸的原理，溶液中阳离子被它吸引传递并通过微孔进入膜的另一侧，而溶液中的阴离子则受到排斥；相反，在阴膜上留下的是带正电荷的基团，构成了强烈的正电场。同理，溶液中阴离子可通过膜而阳离子则受到排斥。此即离子交换膜具有选择透过性的原因。可见，离子交换膜发生的作用并不是离子交换作用，而是离子选择透过作用，所以更精确地说，应称为离子选择性透过膜。(www.xing528.com)

思考题

1.试述食品干燥的目的。

2.影响湿热传递的主要因素？

3.干燥方法的分类？

4.影响干燥速率的因素？

5.简述喷雾干燥的特点。

6.冷冻干燥的原理？

7.干燥对食品品质有哪些影响？

8.中间水平食品的加工原理？

9.简述中间水分食品的加工方法。

10.简述食品浓缩的目的。

11.简述真空蒸发的优点。

12.顺流加料法和逆流加料法的优缺点？

13.冷冻浓缩的原理？

14.冷冻浓缩的特点？

15.反渗透的原理及应用？

16.超滤的原理及应用？

17.电渗析的原理及应用？

18.名词解释：绝对湿度、相对湿度、湿基含水量、水分活度、干燥速率、中间水分食品、闪蒸。