现代食品分离技术(食品科学与工程类系列教材)

**章结论 **节分离技术概论 食品中的原辅料是由多种成分组成的混合物，在食品加工过程中，人们按需求进行取舍，利用分离技术进行取舍的过程称为食品分离过程。食品分离过程具有两个作用，一是起提纯作用，获得较高纯度的食品组分；二是消除有毒、有害物质，满足食品安全的要求。 分离是把具有不同性质（物理、化学及物理化学性质）的物质分开。分离过程就是一个从无序到有序的熵减小的过程，需要环境做功来推动过程的进行，这个环境做功主要靠分离剂（物质和能量）来实现。分离过程主要通过提取、澄清或净化、浓缩、蒸馏和干燥等，实现提纯和去杂。 分离技术是一门研究如何从混合物中把一种或几种物质分离出来的科学技术。被分离的物质可以是原料，也可以是反应产物、中间产物或废物料；可以是小分子（如氨基酸、多酚），也可以是大分子（如蛋白质、淀粉）；可以是具有生物活性的物质（如酶），也可以是不具有生物活性的物质。常见的分离方法有物理方法、化学方法及物理化学方法。分离的基本过程如图1-1所示，即物质通过分离设备，在分离剂的作用下，得到产物或残留物。在人类的生活和生产实践中，人们早已不自觉地接触和应用了分离技术。例如，古籍中就有关于“莞蒲厚酒”、“弊箪淡卤”及“海井”淡化海水等记载。 第二节食品中的分离技术 食品工业中广泛利用分离技术进行生产，以洁净空气和纯水生产为例，就包括了沉降、湿法洗净、过滤、电除尘、絮凝、泡沫分离、电渗析、超滤、反渗透及离子交换等分离单元操作。食品的脱水、除去有毒或有害成分也离不开分离过程，从水中除去盐和有毒物质的蒸馏、吸附、萃取、膜分离等分离技术，使人们能从大海中提取淡水，从工、农业污水中回收干净水。天然食品常常被认为是*安全的食品，但天然食品中也含有对人体不利的成分，或对某些群体不利的成分，如河飩中的河飩毒素；一些植物类食品中的天然毒素；大豆等原料中具有过敏原物质，鸡蛋中具有较高的胆固醇含量等，对某些特殊人群来说，不适宜过多进食这些物质。食品中的工业污染毒素和农药残留物也有一定的限量标准，这些食物中的物质都需要进行适当分离后，食物才能被人们食用。要采用高效、廉价、科学的工艺，生产出供人们食用的更舒心、更安全、更方便、更营养的食品，离不开食品分离技术。 食品分离技术已经在食品工业中占有相当重要的地位，原因如下。 (1)分离技术作为食品工业的基础，是重要的食品工艺过程之一。例如，在制糖过程中，要经过提取、澄清、蒸发、结晶、分离、干燥等分离过程。 (2)利用分离技术可以提高农作物综合利用程度，生产出高附加值的产品。例如，利用超滤和反渗透技术，从干酪乳清中回收乳清蛋白。 (3)利用分离技术可以改进食品的营养与风味。常温与加热处理会使食品的风味及营养产生较大的差异，而像膜分离等浓缩分离技术可在常温下操作，取代需要进行加热浓缩的食品生产过程，从而改善产品的营养和风味。 (4)利用分离技术可以使产品更加符合卫生、安全的要求。利用食品分离技术可以去除食品中的有毒成分，净化食品生产用水，去除原料中的杂质等。 (5)利用分离技术可以改变生产面貌。例如，可利用反渗透生产海盐，其与日晒盐相比，生产环境和卫生状况都更好。 研究分离技术在食品加工中的应用，对食品加工的科学化、现代化具有重要意义。分离操作一方面可以为食品工业提供符合质量要求的原料，另一方面对食品原料、半成品原料分离起着重要作用。分离技术不仅涉及物料的综合利用，还能够对食品工业所产生的废水、废气进行末端治理。因此，分离技术在食品工业生产中占有十分重要的地位，在提高生产过程中的经济效益和产品质量方面起着举足轻重的作用。 当代工业的三大主导产业是新材料、新能源和大健康，这三大产业的发展离不开新的分离技术。人类生活水平的进一步提高也有赖于新的分离技术。分离技术必将日新月异，再创辉煌。 第三节分离技术的分类和特点 目前，工业上分离技术的分类多种多样，分离技术都可以分为机械分离和传质分离两大类。机械分离处理的是两相或两相以上的混合物，过程简单，不涉及传质过程。机械分离的目的是将各相加以分离，大部分的机械分离过程已经成为食品工程中常规的单元操作。表1-1列举了食品工业中常见的机械分离过程及原理。传质分离过程是指在分离过程中，有物质传递过程的发生。传质分离过程可分为两大类，即平衡分离过程和速率控制分离过程。平衡分离过程是借助分离媒介（如热能、溶剂、吸附剂等），使均相混合物系统变为两相系统，以混合物中各组分在相平衡的两相中不等同分配为依据实现再分离的过程。而速率控制分离过程则主要是借助某种推动力，如浓度差、压差、温度差、电位差等的作用，某些情况下在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异而实现混合物分离的操作。 表1-2给出了平衡分离过程的一些特点和应用。作为典型的平衡分离过程，蒸馏、结晶、吸附、萃取等分离技术出现得较早，作为单元操作的应用也有较长的历史，在食品工业中得到了广泛的应用。 大部分的速率控制分离技术是新近发展起来的，如膜分离、分子蒸馏等，仅使用了二三十年，并且在效率性、选择性、节能和环保等方面具有明显的优势，展现了巨大的应用前景。速率控制分离技术可以分为两类，即膜分离和场分离。膜分离是利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的单元操作，膜分离的推动力主要是压差、浓度差或电位差。场分离是利用电磁场、重力场、温度场等物理场作为推动力实现对物质的分离。表1-3给出了速率控制分离技术的一些特点和应用。 在食品工业中，平衡分离过程和速率控制分离过程常伴随着其他物理场辅助分离技术，如超声波辅助萃取、微波辅助萃取等。物理场辅助萃取能大大增强分离效率，下面将分别介绍超声波辅助萃取和微波辅助萃取的原理。 (1)超声波是一种机械波，需要能量载体来进行传播，超声波使介质各点受到的作用一致，使整个体系萃取得更均匀；原料中的有效成分在超声波场作用下不但能作为介质质点获得自身的巨大加速度和动能，而且能够通过“空化效应”获得强大的外力冲击，所以能被高效率并充分分离出来。 (2)微波是高频电磁波，可穿透萃取媒质，到达被萃取物料的内部维管束和腺泡系统。微波能迅速转化为热能使细胞内部温度迅速上升，当细胞内部压力超过细胞壁的承受能力时，细胞破裂，细胞内有效成分自由流出，能够在较低温度条件下被萃取媒质捕获并溶解，进一步过滤并分离，便可获得提取物。在微波辐射作用下，微波所产生的电磁场可加大被萃取部分成分向萃取溶剂界面的扩散速率，从而使萃取速率提高数倍，同时还降低了萃取温度，*大限度地保证了萃取的质量。 一般来说，被分离组分之间的性质差别越大，分离的手段越多，分离效率越高，分离的结果越精细，产品越好。 第四节食品分离技术与分离科学的关系 食品分离技术是指各种分离技术在食品科学与食品工程中的应用，它是食品加工中的一个主要操作过程，是食品工业单元操作的深化和归属。 一、分离过程与单元操作 单元操作是分离过程的基本单元，单元操作逐步交叉、渗透和融合而形成了相对独立的分离过程。分离过程侧重分离方法的共性规律，而单元操作则侧重分离方法的个性规律；分离过程侧重多组分非理想物系，而单元操作则侧重二元理想物系。食品分离技术的发展与化工分离技术及生化分离技术的发展是密切相关的，几十年来，许多化工单元操作相继被引入食品工程中，并且已成为食品加工过程的单元操作。 二、食品分离技术与化工分离技术的关系 化工分离技术与其他科学技术相互交叉渗透产生了一些更新的边缘分离技术，如生物分离技术、膜分离技术、环境化学分离技术、纳米分离技术、超临界流体萃取技术等。现代食品分离技术是以化工分离技术为基础和依托，根据化学分离过程的原理与方法，在多学科融合发展的基础上发展起来的，是符合食品卫生与营养要求的新型分离技术。 第五节食品分离过程的特点及方法的选择 一、食品分离过程的特点 (1)食品分离技术的分离对象种类繁多，性质复杂。食品分离的对象是农、林、渔、牧、副等食品，要分离的物质比化学反应产物复杂得多，要分离的物质有的属于有机物，有的属于无机物；有的具有生物活性（如对酶等一些特殊成分的分离），甚至有的是具有生命活力的细胞和微生物等，属于热敏性及对酸、碱敏感的成分；原料的相态有固态、液态和气态。因此，某些经典的分离方法如蒸馏、蒸发、结晶和沉淀等，虽然已经成为食品加工中的单元操作，但还不能解决食品分离过程中的某些问题。对于食品原料中许多有生理活性的物质如氨基酸、核酸、酶等的分离，上面这些分离方法都不适用，必须依赖新型的分离技术，由此推动了食品分离技术与生物化学制备技术的结合。 (2)产品质量与分离过程密切相关。蛋白质、酶类等具有生物活性的物质在加工条件下易引起变性、钝化或活性损失，色素、脂肪等在有氧的条件下会发生变色、酸败，一些挥发性的芳香性成分由于易挥发而损失，这些都会使食品在营养和风味上产生变化。因此，在食品生产过程中，采取的分离方法要注意高温、过酸、过碱、氧化、高压、重金属离子污染等的影响，一些特殊的加工和分离方法还要考虑避免原料自身酶解等问题。 (3)使用安全性要求高。食品分离过程处理的对象主要是食用性材料，获得的产品也主要用于食用，因此具有较高的安全性要求，必须符合食品安全标准、质量标准及卫生标准。一些食品的原料或辅料的利用价值高，但通常含有极少量或微量的有毒成分，或者受到其他污染，如大豆中含有的胀气因子、茶籽中的茶皂素等。食品分离过程中所采用的分离技术必须考虑到这些因素，在做到产品符合安全标准的同时，不给原料带来新的污染。所采用的方法要效率高、选择性好，以便有效地分离除去有毒、有害物质。 (4)食品在分离过程中易腐败。食品分离过程的对象是食品，而大部分食品能够为微生物生长提供良好的碳源、氮源，易腐败变质是食品原料及其制品的特点，这就要求在分离过程中必须控制分离条件，防止食品物料的腐败，也应该尽量缩短分离周期。 二、食品分离方法的选择 随着科学技术的发展，分离方法越来越多，每种分离方法都有它的长处和不足。在大多数情况下，应用食品分离技术的目的是从食品原料中分离和提纯某一已知结构和性质的单一组分或几种组分，或者是采用一定的手段去除某种有害的或不需要的成分。对于已知结构和性质的成分的分离，目的在于取得更纯、更多的产物或者希望建立起一套更简便、更高效和更好的方法与工艺流程。因此，可以参照前人对于目标成分的理化性质及食品原料特性的描述，选择适当的分离技术，由较小的实验室规模过渡到中间规模试验，*后到大规模的工业生产中应用。对于一些未知化学结构和性质组分的分离，需要先对此类组分进行笼统归类，进行分离方法和分离条件的选择。对于以应用为主要目的的分离技术，侧重点是对已知结构和性质、功能的成分的分离。 1)分离步骤在知道目标成分的性质后可按下列步骤进行分离工作。 (1)选择和确定待分离组分的定性、定量方法，以方便在分离过程中能对目标组分进行检测，对分离效率进行一个有效的评价。 (2)了解物料的特性，如物料的黏度、目标成分及待分离组分在物料中存在的部位和含量。 (3)确定分离方法并进行实验，以确定分离规模。 (4)评价分离效果。 (5)中试或工业生产应用的放大设计。 2)影响分离方法选择的因素在确定分离方法时，除将确定产品纯度和回收率作为主要的考虑因素外，还要考虑下列因素。 (1)产品价格：产品价格是影响分离方法的主要因素。对低附加值的产物，常采用低能耗、廉价分离剂或无须分离剂，以及大规模的生产过程。对高附加值的产物，可采用中小规模、技术含量较高的分离技术。有时一种分离方法尽管可行，但其分离所得产品成本过高，难以推广应用。因此，所选用的方法往往被要求