无机膜过滤技术在食品工业中的应用

食品工业是微孔过滤最大的应用和开发市场，现已开发和应用的范围遍及酒类的过滤，如啤酒、白酒、黄酒、葡萄酒、果酒等的过滤除菌与澄清；果汁饮料、明胶和葡萄糖等的澄清过滤；牛奶的过滤除菌；回收啤酒渣等许多领域。
由于膜技术在食品工业应用中需要涉及清洗和消毒等操作，同时在处理高黏度物料时还需要较高的剪切速度，因此无机膜是合适的选择，无机膜不仅具有使用寿命长，运行稳定，分离效率高等优点，对食品领域而言，可以进行原位蒸汽消毒，这对于保证食品质量是十分重要的。
膜分离工艺在食品工业中应用的先进性
与食品工业中应用的传统方法相比，膜技术具有显著的优越性
1. 节能
膜分离过程不发生相变化，具有冷杀菌优势，与相变的分离方法和其它分离方法相比，能耗低，且采用洁净能源－电力。因此膜分离技术又称节能技术。
2. 保持色香味和营养成分
膜分离过程是在常温下进行，因而特别适用于对热敏感的物质，如果汁、氨基酸、维生素等的分离、分级、浓缩与富集；同时膜分离工艺中物料是在闭合回路中运转，这样减少了空气中氧的影响，而热和氧都对食品加工影响很大；物料在通过膜的迁移过程中也不会发生性质的改变；膜分离过程也可用于冷法杀菌，代替沿袭的加热巴氏杀菌工艺等；所以在膜分离工艺中，可尽可能地不改变产品的色、香、味及营养成分，保持产品的原汁原味
3. 应用范围广
只要是大于0.1μm的物质，都可以通过我公司生产的无机膜进行滤除，可以把细菌、酵母和霉菌全部截留，而食品中的有效成分大多能透过膜。
4. 简化流程和操作
膜分离过程工艺操作相对简单，容易实现自动化控制，装置占地面积也少，设备维修方便，装置寿命长，三费减少。
酒类的除菌和澄清微孔过滤应用于酒类的精密过滤，可大大提高酒类的澄明度。应用高分子膜或无机膜，以硅藻土作为助滤剂用于过滤啤酒，来除去啤酒中酵母菌等杂物，已有多年应用历史；用于过滤低度和高度白酒，以有效去除酒中的悬浮物，提高其透明度；用于过滤葡萄酒等其它果酒，以去除其中酵母菌和其它杂质，以及应用于中药药酒的过滤中以取代原先使用的石棉过滤等方法。
啤酒酿造过程中的澄清和分离
过滤是啤酒生产过程中提高产品质量的最后重要环节，尤其是当啤酒需长期销售或长期储存时，要求啤酒具有生物安全性和胶体、风味的稳定性。
无机膜应用于啤酒生产中主要是菌体去除以澄清啤酒和从罐底沉积物中回收啤酒。
（1） 菌体或微生物的去除
细菌或微生物的存在会影响啤酒的风味并缩短其保质期，传统的过滤方法是采用硅藻土等进行过滤，该法可以除去酵母和一些细菌，但对细菌的截留去除并不理想，因此，在灌装前还需要采用巴氏杀菌以杀死细菌或微生物，由于涉及高温热处理，往往导致一些芳香化合物的氧化，影响啤酒的风味，同时杀菌后的菌体将残留在啤酒中。
多孔无机膜在替代巴氏杀菌、直接进行啤酒的澄清过滤方面是一种有广阔前景的新技术，采用该技术可避免啤酒的热处理，既达到除菌澄清的目的，有保证了啤酒的风味和口感。啤酒澄清的新旧工艺比较如下：
传统工艺：发酵－未滤啤酒离心沉降预澄清－硅藻土过滤－板框过滤－死端过滤器－灭菌过滤器
微滤技术：发酵－未滤啤酒离心沉降预澄清－微滤制成无菌滤液
啤酒的澄清过滤中，选择适当的膜孔径非常重要，既要使悬浮物和微生物等在膜过滤时被截留，同时又要考滤过滤后啤酒的颜色、口味及蛋白质等质量指标不发生改变。0.2μm的膜对啤酒中的蛋白质和色素截留率较高，分别达到12%和30%，澄清后啤酒产品的性能变化较大而不能接受，相比之下在同样条件下，0.5μm的膜能使微生物降低到1个/毫升以下的水平，乙酸杆菌的去除率可达99.990%~99.998%，色素截流率只有3%，截留物中氮和总固体含量较少。
（2） 酵母回收和罐底沉积物中啤酒的回收
啤酒生产主要有4个步骤：
? 用水萃取麦芽化的大麦和其它物料
? 加热萃取物至沸腾
? 冷却萃取物并加酵母发酵
? 澄清
其中酵母是在发酵后回收的，正常的方法可通过离心分离完成，但采用无机膜过滤技术更具有潜力。
罐底沉积物中回收啤酒是无机膜在啤酒行业中应用的潜在领域，该沉积物是指被絮凝的液体提取物，含有悬浮固体、胶原微粒、酵母等，并有90%~99%的啤酒，在啤酒生产中有两种形式的罐底沉积物，发酵罐沉积物和陈化罐沉积物，固体含量分别为10～15克/升和40～50克/升。传统的处理方法包括真空过滤、压率及离心分离法，微滤技术因其节约操作成本，能直接产生清澈的啤酒而不需助滤剂，同时膜过滤可密闭进行，不会使原料液暴露在空气中而使啤酒中溶氧含量低，已经成为一种极具竞争力的替代方法。
膜过滤罐底沉积物回收啤酒通常是在酵母菌发酵工序之后，回收的澄清啤酒可达整个啤酒产量的5%，截留物中含有浓缩了的酵母油脂，采用膜过滤技术可以节省大量的硅藻土，减少废物排放和购买硅藻土的大量资金。
与传统的硅藻土啤酒过滤系统相比，膜过滤的优势在于：
■ 从未过滤的啤酒中生产出清澈的不消毒啤酒以取代硅藻土过滤；
■ 生产出清澈的消毒啤酒以取代硅藻土过滤和巴氏消毒；
■ 从未过滤啤酒和罐底物中生产出清澈的消毒啤酒以取代硅藻土过滤、巴氏消毒和罐底物过滤。
膜过滤的经济性在于膜过滤装置的造价、膜面积与通量大小（即生产能力），其次还有水、电、气消耗及维修费用等。因此，在设备设计和生产实践中，应依据啤酒中固体含量和颗粒的特性对微滤膜的孔径进行选择。如孔径1.3μm及以上的膜，适合于从罐底沉降物中回收啤酒；孔径0.5～1μm的膜，可替代硅藻土作为啤酒的主流过滤，以去除啤酒中悬浮粒子；较小孔径，如0.2～0.5μm的膜，可代替巴氏消毒法，滤除啤酒中的细菌，制造“无菌”啤酒，以达到降低成本、节省费用的目的。实际工业应用中往往是多种孔径微滤膜过滤机的某种方式的组合。
白酒的过滤除浊
近年来随人们健康意识的增强和国家酿酒产业政策的变化，人们更倾向于消费低度白酒、黄酒、葡萄酒和其它类型的果酒。低度白酒再生产过程中，因酒度降低，极易产生白色浑浊物，使白酒的感观质量指标不合格。这些白色浑浊物主要成分为棕榈酸乙酯、亚油酸乙酯和油酸乙酯等，浑浊物颗粒细小，分布较均匀，自然沉降速度非常缓慢，因此低度白酒生产过程中必须进行过滤除浊，同时要求过滤过程中对白酒风味物质损失尽可能小。以微滤膜取代传统的分离过程和设备，如冷冻处理法、沉淀吸附法、硅藻土吸附法和离子交换或分子筛吸附法，可大大降低生产成本、提高经济效益。
用无机膜对白酒进行除浊，可明显提高酒的澄清度，保持酒的色、香、味，提高酒的保存期。经微滤后的白酒可有效去除微生物。
在醋生产中的应用
由稀醇生产醋的发酵过程中，由于黑色杆菌的存在，导致液体产品的浑浊，无机膜过滤可以除去浓缩物中的黑色杆菌，使液体产品得到澄清，产品透明度明显提高，并可以除去细菌。经无机膜处理后，澄清效果良好，渗透液浊度在0.2~0.8NTU范围内。
在酱油生产中的应用
由于酱油的生产过程多数暴露在自然空间，在原料发酵分解过程中，伴随着多种微生物的生长繁殖，如细菌类、放线菌类、酵母菌类等。这些菌类的存在，不但影响着酶的正常分解作用，而且产生一些异样气味及现象，致使酱油发生变味、甚至变质。因此，在酱油生产出来后，及时地将这些杂菌杀死或除去，以保证酱油质量不变，显得至关重要，而且随着人民生活水平的提高，人们对调味品如酱油和食醋的色、香、味、卫生指标等提出了更高的要求，对酱油的脱色澄清也就更具有了社会和经济价值。
酱油中菌属种类和大小如下表所示，由表可知，用不大于0.5μm的膜便可把酱油中的杂菌完全除去。
菌类别 细菌 放线菌 酵母菌 霉菌
尺寸大小/μm 0.5~5 1 5~3 3~10
黄酒的过滤除菌
由于黄酒是一种非蒸馏酒，未经处理的原酒中含有大量的浑浊物、胶体物、细菌及其它微生物。为提高黄酒的品质，延长存放时间，必须对黄酒进行过滤灭菌后方可投入市场。传统的处理方法是先用棉饼过滤，再进行加热灭菌。这种处理方法缺点是劳动强度大，黄酒损失量大、环境污染严重等。用微孔过滤方法替代棉饼过滤和蒸汽灭菌法，由于在较低温度下即可出去大肠杆菌及其它杂菌、悬浮杂质，对降低原材料消耗和生产成本，提高黄酒的品质有着重要的作用。
果汁的澄清过滤
无机膜技术的应用对于提高果汁质量、降低操作成本是很有意义的。其一，能将过滤和压榨结合在一个单元里操作，降低了生产成本；其二，无机膜处理有利于保持果汁的原汁原味；其三，无机膜在果汁过滤中，具有渗透通量较高，蛋白质吸附少，机械强度好、耐高压反冲洗和过程中不变形以及热稳定性好、可进行高温原位消毒等优点。
在果汁的澄清净化方面的应用是微滤膜最为成功的例子之一，其中无机陶瓷膜因其具有抗微生物能力强，可使用蒸汽对设备消毒、可用高压流体反向冲洗再生，因此比高分子更适用于果汁的过滤澄清。20世纪80年代初，无机膜就在法国果汁行业得到广泛应用，且过滤果汁品质优良，比传统的硅藻土过滤加巴氏消毒法生产的果汁更具有芳香味。无机膜用于果汁的澄清主要是除去很容易引起果汁变质的细菌、果胶及粗蛋白质。传统的果汁制取方法是采用离心分离、硅藻土过滤和巴氏消毒，尤其是巴氏消毒损失了果汁中绝大部分芳香味。
加工流程：
干净果－破碎－榨汁－粗滤－酶法澄清－微孔过滤－杀菌、包装
采用以上方法，所得产品汁液均匀一致，澄清透明，无悬浮和分层现象。
鲜奶过滤除菌
随着人们生活水平不断提高，人们对饮食的要求越来越高。鲜奶已成为人们普通食用营养品，当前市场销售鲜奶品种主要有：消毒奶、超高温灭菌（UHT）奶和微过滤奶。其中UHT奶以其保质期长、安全卫生、风味好、价格适中等特点已逐渐被人们所接受，并部分替代了消毒奶。膜分离法在牛奶工业中的应用始于20世纪70年代，首先应用的是乳酪，然后扩展至乳清蛋白的增浓、牛奶粉和凝乳的制造、蛋白和肽的分离、脱脂牛奶的除菌和牛奶的浓缩方面等领域。微滤奶是近几年国外兴起的另一种液体奶制品，由于微过滤技术是用微过滤膜在一定温度、压力下除去乳中杂质、细菌等，不仅能耗低，而且避免了高温加热，鲜奶几乎保持原有风味，深受消费者欢迎。
植物油的过滤和其它应用
早期食用的毛油、二级油已逐渐被淘汰，取而代之的是经过精练的一级油、高级烹调色拉油。由于植物油是通过对植物种子进行压榨、碱炼、白吐脱色、过滤除杂等操作过程获得的，相比较而言，毛油、二级油中游离脂肪酸的含量高、杂质多、水分高、颜色深，并且存在着一些对人体有害的磷、砷、铅等微量元素，甚至含有可致癌的物质和黄曲霉素等，而精练油中游离脂肪酸含量明显降低，色泽浅，水分及有害杂质甚微，保存期也长。
植物油澄清度的提高一直是食用油厂一大难题，当前我国食用植物油脂生产上的油料的固液分离，无论毛油过滤、精练脱色油的过滤或是精练油的过滤，大多数仍采用以滤布为过滤介质的板框压滤机或螺旋沉降离心机进行分离，国外较先进国家则采用金属滤网过滤为介质的叶片式过滤机或高速离心机。尽管这些分离设备各有特色，但都有一共同的缺陷，即过滤效率不高，滤液的透明度较低。采用微孔膜为过滤介质的过滤设备对食用菜籽油的毛油和白土精练脱色油进行过滤，于70度下进行操作，过滤油放置18个月，仍清晰透明，无任何微粒沉淀。
微孔过滤在茶叶饮料、菊花饮料、北味子等保健饮料的生产中也具有一定的应用。