1 引言

目前，水处理工业、牛乳工业、果汁与饮料工业中膜分离技术的应用已很普遍。在其它工业领域中的应用研究也在进行中。

与此同时，一些新型的膜分离技术也在不断产生。如渗透蒸发技术、纳滤、膜反应器、膜乳化、液膜、膜蒸馏等等。其中一些技术可望用于食品工业。目前，国内外开展了许多研究工作。某些技术的应用已在小范围内实现了工业化。本文重点介绍渗透蒸发、纳滤、膜反应器、膜乳化四种膜技术。

2 渗透蒸发（PV）

所谓渗透蒸发（简称PV），是指被分离物通过膜时，在膜两侧组分的蒸汽分压差作用下，液体混合物部分地蒸发，从而达到分离目的的一种膜分离方法。

渗透蒸发技术不同于常规的膜分离技术，它在渗透过程中将产生由液相到气相的转变。相变 的产生是由于透过产品在膜的下游侧的分压低于其饱和蒸汽压。其分离机制为：

（1）被分离物质在膜的进料侧有选择的吸附在膜表面。

（2）以扩散的形式在膜内渗透。

（3）在膜的另一侧变为气相与膜分离开。气相由真空泵抽取，经冷凝器冷凝成液体被收集。

渗透蒸发技术的优点为：

（1）单级选择性好，适合分离近沸点、恒沸点的混合物，适合回收含量少的物质。

（2）渗透蒸发过程简单，易于掌握。

（3）在操作过程中，进料侧不加压，透过率不会随时间的增长而减小，膜的寿命长。缺点是渗透通量较小。

渗透蒸发膜的性能优劣是渗透蒸发技术能否工业化的关键。渗透蒸发膜应具有良好的选择性和渗透性。在应用过程中，膜的选择由被分离物质决定。分离不溶于水的有机分子，如果汁中的芳香物质，采用疏水膜；分离水或其它亲水性成分采用亲水膜。

渗透蒸发技术由于具有惊人的单级高分离度，因而具有良好的应用前景。首先在二元恒沸有机溶剂的分离、异丙醇的脱水浓缩、无水乙醇的生产等方面实现工业化应用。目前，正在研究渗透蒸发技术在食品工业领域的应用，取得了很好的进展。下面介绍几项应用研究。

2.1 回收果汁中的芳香物质

瑞典Lund大学的Hans O.E Karlsson等人曾研究用PV法回收苹果汁中的芳香物质。苹果汁中的香味物质包含大约300种挥发性物质，其浓度大约为200PPM，主要是酯类、醇类（主要是乙醇）和醛类物质。通常以香味的阈值来评价香味物质。所谓香味的阈值，就是香味能被感觉到的较低的香味物质溶液的浓度（溶剂为水）。酯类和醛类具有很低的阈值，是苹果汁香味的重要成分。Hans O.E Karlsson等人用PV法做了一系列试验，结果表明，使用PDMS-PT1100、PDMS-PEI、PDMS-PVDF这三种渗透蒸发膜能很好地回收影响苹果汁风味的主要物质。

美国Illinois大学的N. Rajagopalan试验用PV法回收葡萄汁中的香味物质（Methylanthranilate）取得了很好的效果，并且研究了操作条件的影响。

可见，采用渗透蒸发技术回收果汁中的芳香物质具有很好的应用前景。

2.2 分离乳制品的香味物质

法国的Arnaud Baudot等人曾研究了两种乳制品的香味物质Daicetyl（丁二酮）和S-Methylthiobutanoate的分离。丁二酮具有黄油的味道，存在于消毒牛乳、酸乳酪等产品中，是生产人造黄油或其它脂肪产品的主要风味添加剂，由乳酸混合发酵制取。但丁二酮在乳酸发酵液中浓度很低（30～170mg/kg），而且具有自我抑制性，制取的效率很低。目前研究将渗透蒸发技术与发酵结合起来。实验用PDMS1070膜，将发酵产生的丁二酮不断与发酵液分离，增加了丁二酮的产率，提高了品质。S-Methylthiobutanoate属于硫脂（Thioester）家族，具有很强的烹调花椰菜的味道，也是一种风味添加剂实验用PEBA40膜将其与发酵液分离，同样取得了很好的效果。

2.3 处理废水

Zenon Environment公司研制出十字流渗透蒸发系统，该系统能去除废水中的挥发性有机化合物（VOCs），去除率高达99.99%。VOCs借助真空通过渗透蒸发膜，经冷凝成为液体，可降低挥发性物质的排放。

2.4 制取低度酒

Hartmut Brueschke等人曾研究利用PV技术降低啤酒、白酒中的酒精含量。酒精和酒中的芳香物质通过渗透蒸发膜成为蒸汽。在0℃～30℃和0.5mBar～50mBar的条件下，酒精被冷凝下来，可除去。而芳香物质经多级冷凝成为液体，与降低了酒精含量的酒相混合，保证了酒的风味。这样处理过的酒具有丰富的酒味，而酒精含量并不高，是很有前途的一种产品。

2.5 应用于蔬菜工业

目前研究用PV技术去除蔬菜加工中经漂白处理后所产生的废水中的臭味，即含硫化合物。这样能同时达到两个目的：

（1）从环保角度看，去除了废水中的臭味。

（2）从经济角度看，回收了有价值的挥发性的物质。

3 纳滤技术（Nanofiltration，简称NF）

纳滤是近几年开发的膜分离技术，发展很快，已应用于牛乳工业。

纳滤膜的孔径比反渗透膜稍大，截留粒子的直径为几个nm，分子量为200～500，允许通过单价离子、低分子量有机溶剂，对乳糖、蛋白质等有很低的透过率。

纳滤的一个重要应用是乳清的部分脱矿质。目前，在澳大利亚、法国、爱尔兰已有几个部分脱矿质和浓缩盐酸干酪乳清（用盐酸进行牛乳酪蛋白酸化）的纳滤系统。将干酪凝乳用NaCl盐化后提取的乳清称为“咸乳清”，咸乳清需经过脱矿质处理。在工业生产，通常是乳清经蒸发浓缩后，再由电渗析或离子交换法去矿质。如采用纳滤技术来代替，将使乳清的浓缩和脱矿质一步完成，大大降低了能耗和成本。

纳滤技术除了应用于乳品工业，在果汁加工业也有应用。The Nutrasweet公司的糖分离膜系统综合应用了超滤和纳滤技术。由于纳滤膜能有效截留果汁中的糖类，能够生产出高糖酸比率的营养果汁和低热量的果汁，满足人们不同的需求。

此外，纳滤膜也用于形成生物反应器，将葡糖糖淀粉酶固化在NF膜上形成生物反应器将糊精转化为葡萄糖，使用纳滤膜，能截留未水解完全的糊精。Clemson大学的研究实验表明用纳滤膜比以前使用微滤膜效果更好。

4 膜反应器（Membrane Reactor）

目前，膜技术已不再局限于单纯分离的范围，将发应与分离结合在一起，形成了膜反应器。膜分离技术与化学反应结合，形成膜催化反应器和膜惰性反应器，用于化学工业。膜分离技术与生物反应结合，形成膜生物反应器，多用于发酵工业和生物工程领域。传统的生物反应器为间歇式，工作效率低，产品性质不稳定。而膜生物反应器能连续运行，效率高，产品性质稳定。膜生物反应器有多种，这里重点介绍酶膜生物反应器。

酶是一种有机催化剂，催化活性高，在多种发酵过程中广泛应用。但酶很难与反应母液分离开来，昂贵的酶使用一次就被抛弃，太浪费。使用酶膜反应器，能在反应后将酶与母液分开，酶得以重新利用。

酶膜反应器将酶固定在膜上，把分离过程和反应过程结合起来同时进行，可以简化工艺操作，提高效率。酶膜生物反应器在生化工程中应用的效果是诱人的，主要是因为在反应过程中，反应生成物借助膜的半透作用，不断向体系外排放，而酶和其它生物催化剂则留在体系内继续反应，保持了较高的菌体浓度，强化了原料转化效率，缩短了反应时间，简化了生产流程。

酶在食品加工中的应用也很广泛，所以酶膜生物反应器在食品工业中的应用前景广阔。目前，它已经有了一定的应用，如用来生产乳酸菌发酵剂，进行蛋白质水解，淀粉水解，麦芽糖水解，连续糖化，去除废水中能被生物降解的物质等。

5 膜乳化技术（Membrane Emulsification Technology）

乳化是食品加工中的一项重要技术，乳化效果的好坏直接影响产品的稳定性，分散相和分散介质的物理、化学性质。分散粒子不均匀的多分散相体系具有热力学不稳定性，而分散粒子均匀的单分散相体系则相对稳定。能生成均匀粒子的体系一直是乳化技术追求的目标。传统的乳化方法，如均质、胶体磨等形成的是分散质粒子不均的多分散体系。高压均质技术是将分散粒子均质为亚微粒子，但不能从很广的直径范围内得到均匀的分散粒子。日本用微孔滤膜进行乳化，实验证明，能够获得良好的乳化效果，称之为膜乳化技术。

所谓膜乳化技术就是将分散相加压通过单一孔径的微孔膜，使其分散于连续相中的一种乳化技术。

膜乳化的特点为：

（1）能够制备分散粒子均匀的乳化液。

（2）通过选择微孔膜膜孔直径，可以得到所需直径的分散粒子。

（3）既使分散相浓度很高，也能获得稳定的乳化液。

具体应用过程中，应注意的是，如果膜的表面被分散相浸湿，则乳滴的大小不易控制。因此，制备水包油型（O/W）乳化液时采用亲水性膜。相反，制备油包水型（W/O）乳化液时，应用疏水性膜。

目前，适合用于膜乳化系统的膜是由火山灰制成，称之为Shirasu多孔玻璃膜（简称SPG膜）此膜较大的特点是孔均匀性强，耐碱。

膜乳化技术发明后，起初被用于煤油等烃类油的乳化。目前正在研究将膜乳化技术用于食品工业，制备稳定的食品乳化液。在日本，膜乳化法已经由森永乳业株式会社在乳品上进行了应用，生产出25%W/O型低脂型奶油产品。该产品是W/O乳化后经杀菌、冷却、成型制成。由于连续相中脂肪含量低，经杀菌、急剧降温、成型后容易与水分离，用其它乳化方法生产此产品是困难的，只有应用膜乳化技术才能生产出质量较好的该类产品。

但是，大规模应用膜乳化技术存在两个主要问题：

（1）SPG膜在制备W/O型乳化液时，必须经过疏水化表面处理，才能满足W/O体系的需要，然而SPG膜的疏水处理非常复杂，而且在使用表面处理时要考虑到是否影响食品卫生的问题。

（2）乳化速度太低，大约为10^-3m³/m²·hr左右。

长50cm，外径10mm，厚1mm的管状SPG膜的有效膜面积只有150cm³。目前，正在研究提高膜乳化速度的方法。

6 结束语

相信随着对各种膜分离技术研究的深入，膜分离技术作为一种有效的分离技术，经过不断发展、完善，将会在食品工业领域有着更广泛的应用。