食品分離技術(shù)

1、食品分離技術(shù)第一章緒論第一節(jié)分離技術(shù)的概念分離過程就是通過一定的手段，將混合物分成互不相同的幾種產(chǎn)品的操作過 程，它包括提取和除雜兩個部分。分離技術(shù)是一門研究如何從混合物中把一種或幾種物質(zhì)分離出來的科學(xué)技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)混合物的分離，需要某種專門的設(shè)備和專門的過程，并且要提供相應(yīng) 的能量和物質(zhì)。這是因?yàn)槲镔|(zhì)的混合過程是一個嫡的增加過程， 可以自發(fā)地進(jìn)行; 而從混合物中進(jìn)行分離，是一個嫡減少的過程。嫡減的過程必須要有外加能量才 能進(jìn)行。第二節(jié)分離技術(shù)的分類及特點(diǎn)所有的分離技術(shù)，都可以分為機(jī)械分離和傳質(zhì)分離兩大類。機(jī)械分離處理的是兩相或者兩相以上的混合物， 其目的是簡單地將各相加以 分離，過程中不涉及傳

2、質(zhì)過程。如：過濾、沉降、離心分離、旋風(fēng)分離等。傳質(zhì)分離過程的特點(diǎn)是過程中有傳質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生。 傳質(zhì)分離技術(shù)處理的物料可 以是均相體系，也可以是非均相體系。傳質(zhì)分離過程包括平衡分離過程和速率分離過程。平衡分離過程是指借助于分離媒介（熱能、溶劑、吸附劑），使均相混合物 變成兩相系統(tǒng)，再以各處組分?jǐn)U散速度的差異來實(shí)現(xiàn)分離的過程。如：閃蒸、萃 取、精儲、吸附、吸收、離子交換、結(jié)晶以及泡沫分離等。速率分離控制分離過程則主要是根據(jù)混合物中各個組分?jǐn)U散速度的差異來 實(shí)現(xiàn)分離的過程。如：反滲透、超濾、電流等，分離過程所處理的原料產(chǎn)品通常 屬于同一相態(tài)，僅僅是組成上存在差異，利用濃度差、壓力差以及溫度差等作為 分離

3、推動力。如果按分離性質(zhì)分類則有：物理分離法：以被分離對象在物理性質(zhì)方面的差異作為分離依據(jù)， 采用有 效的化學(xué)手段進(jìn)行分離，包括熱擴(kuò)散法、梯度磁性分離法以及過濾、沉淀、離心 分離等各種機(jī)械分離法。化學(xué)分離法：依據(jù)被分離對象在化學(xué)性質(zhì)方面的差異， 采用有效的化學(xué)手 段進(jìn)行分離的技術(shù)，如沉淀分離法、溶劑萃取法、離子交換技術(shù)等。物理化學(xué)分離法：被分離對象中，有時存在著不止一個特征方面的差異， 包括在物理和化學(xué)方面的差異，據(jù)此可以采用物理手段與化學(xué)手段相結(jié)合的技術(shù) 進(jìn)行分離。一般來說，被分離組分之間的性質(zhì)差別越大越多， 分離的手段越多，分離越 容易，分離得到的結(jié)果越精細(xì)，產(chǎn)品越好。第三節(jié)分離技術(shù)與食品工

4、業(yè)食品分離技術(shù)是指各種分離技術(shù) （包括物理的、化學(xué)的以及物理化學(xué)的）在 食品科學(xué)與食品工程中的應(yīng)用。其重要性表現(xiàn)在：第1頁共54頁食品分離技術(shù)是食品工業(yè)的基礎(chǔ)。食品分離技術(shù)能提高食品原料的綜合利用程度。食品分離技術(shù)能保持和改進(jìn)食品的營養(yǎng)和風(fēng)味。食品分離技術(shù)使產(chǎn)品符合食品衛(wèi)生要求。現(xiàn)代食品分離技術(shù)能改變食品行業(yè)的生產(chǎn)面貌。第四節(jié) 食品分離過程的特點(diǎn)及其方法一、食品分離過程的特點(diǎn)(1)食品分離技術(shù)的分離對象各類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。(2)產(chǎn)品質(zhì)量與分離過程關(guān)系密切。(3)食品安全性要求高。(4)食品在分離過程中易腐敗變質(zhì)。二、食品分離方法的確定(1)查找分離組分的基礎(chǔ)性研究資料，包括待分離組分的相對分子

5、質(zhì)量、化學(xué)結(jié) 構(gòu)、理化性質(zhì)以及生物活性等。(2)選擇和確立對該組分進(jìn)行定性、定量測定的方法，目的在于能對分離效率有 一個有效的評價。(3) 了解原料的我以及待分離組分的存在和含量情況。(4)確定選用分離技術(shù)并對分離條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)選擇。(5)對分離效果進(jìn)行評價。(6)中間試驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的放大設(shè)計。第五節(jié) 食品分離技術(shù)的平價及其發(fā)展趨向一、食品分離技術(shù)的評價1,分離效率及其選擇性.產(chǎn)品質(zhì)量.產(chǎn)品的安全性4,生產(chǎn)工藝的簡化.生產(chǎn)成本二、食品分離技術(shù)的發(fā)展趨向.傳統(tǒng)分離技術(shù)的發(fā)展.實(shí)驗(yàn)室規(guī)模分離技術(shù)的放大和應(yīng)用.生物大分子分離技術(shù)獲得較大的進(jìn)展.新型分離技術(shù)的開發(fā)第二章沉淀分離技術(shù)第一節(jié) 沉淀分離的

6、目的及其方法沉淀是指溶液中的溶質(zhì)在適當(dāng)條件下由液相變成而析出的過程。分離過程中采用沉淀技術(shù)，目的有兩個：第2頁共54頁通過沉淀使目標(biāo)成分達(dá)到濃縮和去雜質(zhì)的目的；通過沉淀可將已純化的產(chǎn)品由液態(tài)變成固態(tài)，有利于保存和進(jìn)一步的加工 處理。應(yīng)用沉淀分離技術(shù)時，應(yīng)考慮三個因素：沉淀的方法和技術(shù)應(yīng)具有一定的選擇性；注意到所選用的沉淀方法對目標(biāo)成分的活性和化學(xué)結(jié)構(gòu)是否有破壞作用；要考慮殘留在目標(biāo)成分中的沉淀劑對人體是否有害。沉淀分離技術(shù)通常包括：(1)無機(jī)沉淀劑沉淀分離法通常以鹽類作為沉淀劑的一類沉淀方法， 如鹽析法，多用于各種蛋白質(zhì)和酶 類的分離純化，以及某些金屬離子的去除。常用的沉淀劑有：硫酸錢、碳酸錢

7、、硫酸鈉、檸檬酸鈉、氯化鈉(2)有機(jī)沉淀劑沉淀分離法以有機(jī)溶劑作為沉淀劑的一種沉淀分離方法，多用于生物小分子、多糖及核 酸類產(chǎn)品的分離；有時也用于蛋白質(zhì)的沉淀和金屬離子的去除； 用于酶的沉淀分 離時，易導(dǎo)致酶的失活。常用的沉淀劑有：丙酮、乙醇、甲醇(3)非離子多聚體沉淀劑沉淀分離法采用非離子型的多聚體作為目標(biāo)成分的沉淀劑， 適用于生物大分子的沉淀分 離，如酶、核酸、蛋白質(zhì)、病毒、細(xì)菌等。典型的非離子多聚體是聚乙二醇(PEG)(4)等電點(diǎn)沉淀法利用兩性電解質(zhì)在等電點(diǎn)狀態(tài)下的溶解度最低而沉淀析出的原理。 適用于氨 基酸、蛋白質(zhì)及其他屬于兩性電解質(zhì)組分的沉淀分離， 如大豆蛋白“堿提酸沉”。 (5)共

8、沉淀分離法又稱為生物鹽復(fù)合沉淀法，用于多種化合物告別是一些小分子物質(zhì)的沉淀。它是利用沉淀的同時對其他待分離成分吸附共沉淀而達(dá)到除雜的目的。(6)變性沉淀分離法又稱為選擇性變性沉淀法，是利用特定條件使目標(biāo)成分變性導(dǎo)致其性質(zhì)的改 變?nèi)缛芙舛认陆刀靡苑蛛x。適用于一些變性條件差異較大的蛋白質(zhì)和酶類的分 離純化。采用的變性條件有pH值、溫度的改變以及添加劑、利用酶的作用等， 如腐竹的生產(chǎn)可以說是利用大豆蛋白質(zhì)的熱變性而進(jìn)行分離的一個例子。第二節(jié)無機(jī)沉淀劑沉淀分離法一、金屬鹽類沉淀分離法利用金屬離子與酸根在形成鹽類時溶解度低而得以沉淀分離。檸檬酸發(fā)酵工業(yè)中應(yīng)用得較多的是鈣鹽法。分兩具步驟：鈣鹽中和，發(fā)酵

9、液去除菌體后，加入碳酸鈣形成檸檬酸鈣沉淀。酸解，用硫酸處理，使之生成 硫酸鈣沉淀。在蔗糖生產(chǎn)過程中，利用生成碳酸鈣沉淀或亞硫酸沉淀來進(jìn)行糖的除雜和澄 清。谷氨酸能與Zn2+ (鋅鹽法)、Ca(鈣鹽法)、Co2+、Cu2+等金屬離子作用 生成谷氨酸鹽沉淀，因此也可用于從發(fā)酵液中分離谷氨酸。第3頁共54頁影響此類沉淀效果的因素主要是溫度和 pH值。采用此沉淀方法，常有共沉淀作用和吸附作用發(fā)生， 并且一些金屬鹽（硫酸 鈣）的溶解度也比較大，因此分離效果不是很理想，一般用作初步分離，并且通 常是與其他分離方法配合使用。二、鹽析法應(yīng)用于蛋白質(zhì)和酶類的分離（粗提純階段）。鹽析法的特點(diǎn)：成本低，不需特別的設(shè)

10、備，操作簡單、安全，對一些生物活 性成分的破壞作用小。（一）鹽析原理在低鹽濃度下，蛋白質(zhì)和酶類的溶解度隨著鹽的濃度提高而增大， 這個過程 稱為鹽溶。這主要是中性鹽離子對蛋白質(zhì)分子表面活性基團(tuán)及水活度的影響：無機(jī)鹽離子在蛋白質(zhì)表面上吸附，使顆粒帶相同電荷而互相排斥。無機(jī)鹽離子 增加了蛋白質(zhì)的親水性，改善了與水膜的結(jié)合，增加了蛋白質(zhì)分子與溶劑分子相 互的作用力，使蛋白質(zhì)的溶解度增加。當(dāng)鹽濃度增加到一定程度時，在鹽離子的作用下，水活度大大降低，同時蛋 白質(zhì)表面的電荷被大量中和，蛋白質(zhì)分子外表的水化膜被破壞，蛋白質(zhì)分子相互 聚焦而沉淀析出，這就是鹽析。在一定的pH值和溫度條件下，改變鹽的離子強(qiáng)度I值，

11、使不同溶質(zhì)在不同 的離子強(qiáng)度下有最大的析出，這種方法稱為 Ks分段鹽析法。保持溶液的離子強(qiáng)度不變，改變?nèi)芤旱?pH值和溫度，使不同溶質(zhì)在不同的 pH值和溫度條件下有最大的析出，這種方法稱為B分段鹽析法。一般來說，高價陰離子如硫酸根、磷酸根等有較高的Ks （鹽析常數(shù)，數(shù)值越大，鹽析效果越好）值，而高價陽離子如鎂離子、鈣離子等，則會有較低的 Ks值。（二）鹽析分離法中鹽的選擇在蛋白質(zhì)的鹽析中，以硫酸錢、硫酸鈉應(yīng)用最廣。雖然磷酸鹽的鹽析效果比 硫酸錢好，但硫酸錢的最大優(yōu)點(diǎn)是溫度系數(shù)小，溫度的變化引起溶液性質(zhì)的改變 不大，且其溶解度大，應(yīng)用于許多蛋白質(zhì)和酶的鹽析時， 對蛋白質(zhì)和酶變性的影 響較小，并且

12、硫酸錢價格低廉。硫酸錢用于蛋白質(zhì)鹽析時，最大的缺點(diǎn)是除了緩 沖能力較小外，還由于含氮，因此影響到蛋白質(zhì)的定量分析。硫酸鈉由于不含氮，因此不影響蛋白質(zhì)的定量測定，但其缺點(diǎn)是在30c以下溶解度，需在30c以上操作效果才好，不利于保持酶的活性。（三）影響鹽析效果的因素.蛋白質(zhì)濃度蛋白質(zhì)濃度高，鹽的用量少，但如果各種蛋白質(zhì)的 Ks值比較接近，會發(fā)生 比較嚴(yán)重的共沉作用；蛋白質(zhì)濃度過低時，鹽的用量增大，但共沉作用小，選擇 性較好。.離子強(qiáng)度和離子類型采用低離子強(qiáng)度先分離出一種蛋白質(zhì)， 再逐漸增加離子強(qiáng)度，分離出第二種 乃至更多種蛋白質(zhì)，這就是分析鹽析法。第4頁共54頁.離子類型通常認(rèn)為離子半徑小，帶較高

13、電荷的離子鹽析效果較好， 離子半徑大、帶低 電荷的離子鹽析效果較差。. pH 值一般選擇在兩性分子的等電點(diǎn)處的 pH值下進(jìn)行。.溫度在低離子強(qiáng)度下，蛋白質(zhì)的溶解度隨著溫度升高而增大；在高離子強(qiáng)度下， 則隨著溫度的升高而下降。對于酶類，鹽析時應(yīng)在較低溫度下操作，以最大限度 保持酶的活性。（四）鹽析后的脫鹽處理常用的脫鹽處理方法：透析法、電滲析法和葡聚糖凝膠過濾法。（五）硫酸鏤飽和度的調(diào)整方法當(dāng)鹽析要求飽和度高而又不宜增大溶液的體積時，可直接加入硫酸錢固體 鹽；當(dāng)鹽析要求的飽和度不高，又必須防止?jié)舛冗^高時，通常是采用加入飽和硫 酸錢溶液法。第三節(jié)有機(jī)沉淀劑沉淀分離法一、基本原理及其特點(diǎn)無機(jī)沉淀劑沉

14、淀分離法的最大缺點(diǎn)就是分離的選擇性和靈敏度都比較差。與無機(jī)沉淀劑相比，有沉淀劑的優(yōu)點(diǎn)在于：選擇性比較高，即一定濃度的有機(jī)沉 淀劑只沉淀分離某一種或某一類溶質(zhì)組分。 沉淀后所得產(chǎn)品不需脫鹽，殘留的 沉淀劑通過揮發(fā)而易去除。有機(jī)沉淀劑的缺點(diǎn)是對某些具有生物活性的大分子物 質(zhì)如酶類具有失活作用，因而常常需要低溫下操作。有機(jī)沉淀分離法之所以能將溶質(zhì)如酶和蛋白質(zhì)等從溶液中沉淀出來，主要原因在于：有機(jī)溶劑改變了溶液的介電常數(shù)。脫水作用。二、有機(jī)沉淀劑的選擇（一）沉淀金屬離子的有機(jī)沉淀劑主要有生成螯合物的有機(jī)沉淀劑、生成離子締合物的有機(jī)沉淀劑，生成三元 絡(luò)合物的有機(jī)沉淀劑。常見有：羥基質(zhì)類，氨基酸類。（二）

15、沉淀有機(jī)成分的有機(jī)沉淀劑食品中蛋白質(zhì)和酶的沉淀多用乙醇，雖然甲醇、丙酮也能使用主，但甲醇、 丙酮都有一定的毒性。乙醇還可以作為核酸、核甘酸、氨基酸、果膠等成分的沉 淀劑。（三）影響沉淀效果的因素.金屬離子當(dāng)溶液中有一些金屬離子存在時，能降低大分子溶質(zhì)的溶解度，同時不影響第5頁共54頁 目標(biāo)成分的生物活性，可使有機(jī)溶劑的用量減少。如Zn2+、Ca2+在一定的pH條件下能與呈陰離子狀態(tài)的質(zhì)形成復(fù)合物， 這種 復(fù)合物在水和有機(jī)溶液中的溶解度明顯降低。.鹽的濃度溶液太大或太小，對溶液都有不良的影響。沉淀蛋白質(zhì)和多糖時，有機(jī)溶劑中鹽的濃度以不超過5%為宜。.溶質(zhì)相對分子質(zhì)量與有機(jī)溶劑用量一般來說，待分離

16、組分的相對分子質(zhì)量越小， 有機(jī)溶劑的用量越多。不同濃 度的有機(jī)溶劑能使溶質(zhì)中不同的組分先后沉淀，因而能直到分步沉淀的效果。.溫度在有機(jī)溶劑存在時，蛋白質(zhì)的溶解度隨著溫度降低而降低。低溫對于提高沉 淀效果是比較有利的。5. pH 值對于兩性電解質(zhì)，選擇其等電點(diǎn)處的pH值可最大限度地進(jìn)行溶液。第四節(jié) 等電點(diǎn)沉淀分離法一、等電點(diǎn)沉淀分離的基本原理等電點(diǎn)沉淀分離法主要是利用兩性電解質(zhì)分子在電中性時溶解度最低，不同的兩性電解質(zhì)有不同的等電點(diǎn)而進(jìn)行分離的一種方法。能使兩性電解質(zhì)處于電荷為零的pH值，即為兩性電解質(zhì)的等電點(diǎn)pL二、蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)沉淀分離通常在偏酸性溶液中帶正電，在偏堿性溶液中帶負(fù)電。蛋白質(zhì)在

17、其等電點(diǎn)處的凈電荷為零，因而容易相互聚集成為較大的顆粒而沉 淀?！皦A提酸沉”法分離大豆蛋白，脫脂豆粉蛋白質(zhì)大部分能溶于稀堿( pH = 9.09.1)溶液中，用稀堿溶液將大豆蛋白最大量地浸提出來，然后離心除去不 溶性成分，用HCl溶液調(diào)整溶液的pH值至4.3左右，使蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)狀態(tài)下 沉淀。第五節(jié)其他沉淀分離技術(shù)一、變性沉淀分離法.變性沉淀分離的原理利用生物大分子對物理、化學(xué)等外部環(huán)境因子敏感性的差異而選擇性地使一 種組分發(fā)生變性形成沉淀，而讓另一些組分保持不變性，這樣就可以達(dá)到分離和 除雜、提純的目的。.酶和蛋白質(zhì)變性的概念及影響因子蛋白質(zhì)的變性通常是指二、三、四級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致蛋

18、白質(zhì)物理、 化學(xué)性質(zhì)的改變及生物功能的改變，變性不涉及一級結(jié)構(gòu)的破壞。如果變性因子去除后，變性了的生物大分子能恢復(fù)原來的基本構(gòu)象， 其性能 也與變性前相差不大時，此種變化稱為可逆變性。相反則稱為不可逆變性。影響蛋白質(zhì)變性的因子包括溫度、pH值以及其他的化學(xué)因子。第6頁共54頁(1)溫度在較高溫度的作用下，使得維持蛋白質(zhì)二級、三級和四級結(jié)構(gòu)的弱鍵發(fā)生了 斷裂，破壞了肽鏈原來特有的排列和空間結(jié)構(gòu)， 使原來在大分子內(nèi)部的極性基團(tuán) 轉(zhuǎn)到分子的表面，促進(jìn)了蛋白質(zhì)分子的相互凝集而沉淀。pH值大部分蛋白質(zhì)在pH = 410的范圍內(nèi)是比較穩(wěn)定，超過這個范圍就會發(fā)生 變化。變性的原因在于酸堿的作用使蛋白質(zhì)分子內(nèi)

19、的基團(tuán)帶電性質(zhì)發(fā)生了變化， 從而破壞了靜電引力所形成的鍵，導(dǎo)致原來構(gòu)象發(fā)生了變化。每一種酶都有一個活性表現(xiàn)最大的 pH值，稱為酶的最適pH值。(3)其他化學(xué)因子包括酸類、醇類、酰胺類、二月尿、鹽酸月瓜、氯仿、酚、表面活性劑等。與蛋白質(zhì)高度結(jié)合，可將蛋白質(zhì)的亞基拆散從而引起蛋白質(zhì)變性。酶的作用，常常也使得蛋白質(zhì)變性沉淀而得到分離。如凝乳酶對牛乳中的酪 蛋白作用，可使之成為干酪而得以分離。.蛋白質(zhì)變性后性質(zhì)的改變(1)生物活性喪失(2)物理化學(xué)性質(zhì)改變.變性沉淀分離的方法(1)熱變性沉淀分離利用各種蛋白質(zhì)對熱穩(wěn)定性不同的特點(diǎn)， 使蛋白質(zhì)組分之間得以分離，同時 使蛋白質(zhì)與水及其他可溶性物質(zhì)分離開來，

20、此法常用于組織化植物蛋白生產(chǎn)。腐竹的生產(chǎn)是利用大豆蛋白質(zhì)分子的熱變性原理進(jìn)行的。 熱變性時，大豆蛋 白質(zhì)分子間通過其副價鍵聚集而形成蛋白質(zhì)聚合體， 在豆?jié){煮沸的溫度下，大豆 蛋白進(jìn)一步膠粘聚集成膜，疏水性增加，最后從溶液中分離出來。(2)選擇性的酸堿變性沉淀分離利用酸堿變性原理，調(diào)節(jié)溶液pH值，可以有選擇地除去雜蛋白，有利于提 高酶制劑的比活和純度。此方法在生化制備中經(jīng)常使用。(3)利用酶作用進(jìn)行變性分離凝乳酶催化牛乳酪蛋白的沉淀。在凝乳酶的作用下，牛乳形成凝塊或凝膠的 過程分兩步：凝乳酶首先把K -酪蛋白部分降解改性，然后，經(jīng)過改性了的酪蛋 白聚集成膠束并進(jìn)一步形成凝膠而沉淀。(4)利用表面

21、活性劑或有機(jī)溶劑引起變性在制備核酸時，可加入含水酚、氯仿以及十二烷基磺酸鈉等試劑，可有選擇 地使蛋白質(zhì)發(fā)生變性沉淀，達(dá)到去除雜質(zhì)、提純核酸的目的。二、生成鹽類復(fù)合物沉淀分離法生物大分子都可以生成鹽類復(fù)合物， 此類鹽類復(fù)合物溶解度很低，易于沉淀 析出而得以分離。(1)金屬復(fù)合鹽法(2)有機(jī)鹽法苦味酸、苦酮酸、單寧、茶多酚(包括兒茶素)等可與蛋白質(zhì)形成復(fù)合鹽類 并沉淀而得以分離。(3)無機(jī)鹽法第7頁共54頁三、非離子型聚合物沉淀分離法沉淀劑主要有聚乙二醇（PEG）。廣泛用于細(xì)菌、病毒、核酸、蛋白質(zhì)和酶 的沉淀分離。PEG在濃度達(dá)20%時，粘度仍不大，同時對蛋白質(zhì)有保護(hù)作用，分離的選 擇性又比硫酸錢

22、、丙酮的分離效果好，有時甚至可以與凝膠過濾相比， 加上操作 方法簡單，可處理量大。沉淀機(jī)理的幾種解釋：認(rèn)為沉淀的產(chǎn)生是由于聚合物與大分子共沉而形成沉淀。聚合物與生物大分子以氫鍵結(jié)合形成復(fù)合物而沉淀。聚合物與生物大分子爭奪水分子，水分子在生物大分子以及聚合物之間發(fā) 生重新分配，生物大分子產(chǎn)生脫水而沉淀。聚合物對生物大分子的空間排斥作用，使生物大分子被聚集在一起而引起 沉淀。優(yōu)點(diǎn)：操作條件溫和，不會引起生物大分子的變性。具有較高的沉淀分離效果，成本低。沉淀分離的選擇性較好，用不同的濃度可沉淀不同的組分，因而分段分離 的選擇性較好。沉淀后的多聚物易于去除，也可以回收。用PEG沉淀生物大分子時，其效果

23、與如下因素有關(guān)：沉淀劑的相對分子質(zhì)量越大，沉淀效果越好，但聚乙二醇相對分子質(zhì)量超 過20000時，由于粘性太大而不易操作，一般使用的相對分子質(zhì)量是20006000 左右0生物大分子的相對分子質(zhì)量越大，沉淀效果越好，若低于 20000,效果不 明顯。生物大分子的濃度如太稀時，效果也不明顯，但蛋白質(zhì)濃度太高，各組分 之間的互相作用系數(shù)也越大，反而影響分離效果，所以以小于 10mg/mL為宜。當(dāng)溶液中的離子強(qiáng)度大時，使用的沉淀劑的濃度可明顯降低。也就是說， 有其他離子的存在，可提高PEG的分離效率。當(dāng)生物大分子處于等電點(diǎn)狀態(tài)時，使用的沉淀劑濃度也會有明顯的降低， 即在兩性分子的等電點(diǎn)下，PEG的分離

24、效果得到提高。第三章超臨界流體萃取技術(shù)第一節(jié)概述一、超臨界萃取及超臨界流體的概念超臨界萃取是以臨界流體作為萃取劑，在臨界溫度和臨界壓力附近的條件狀 態(tài)下，從液體或固體中萃取出待分離的組分， 又稱為壓力流體萃取，越臨界氣體 萃取、超臨界溶劑萃取等。超臨界流體是指處于超過物質(zhì)本身的臨界溫度和臨界壓力狀態(tài)時的液體。穩(wěn)定的純物質(zhì)都具有固定的臨界點(diǎn)，包括臨界壓力pc、臨界溫度Tc和臨界密度pc。對于稍為超過其臨界點(diǎn)即在臨界點(diǎn)附近的超臨界流體，操作溫度或壓力的微小變化，都會引起流體密度的很大變化，同時會引起其溶解能力的變化。因此，第8頁共54頁利用超臨界流體的此種特性，在高密度條件（低溫、高壓）下，溶解也

25、所需要的 組分，然后改變操作條件（提高溫度或降低壓力），在低密度條件下將萃取出來 的成分與萃取劑分離，從而實(shí)現(xiàn)整個分離過程。二、超臨界流體萃取技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀第二節(jié)超臨界流體萃取的基本原理及特征一、超臨界流體的基本性質(zhì)（一）超臨界流體的臨界點(diǎn)二氧化碳是最常用到的超臨界萃取介質(zhì)，這是因?yàn)樗呐R界溫度（31.1C）最接近常溫，臨界壓力約為7.38MPa,容易達(dá)到，并且具備了無毒無臭和防氧化 及來源方便等優(yōu)點(diǎn)，因此是最常用的萃取劑，在食品行業(yè)中尤其重要。一般地說，操作溫度是高出流體臨界值的 10100C,壓力為530MPa。（二）超臨界流體的性質(zhì)超臨界流體在密度上接近于液體，因此，對固體、液體的溶解度

26、也與液體相 接近，密度越大，溶解能力也越強(qiáng)。又由于超臨界流體在粘度上接近于氣體，擴(kuò) 散系數(shù)比液體大100倍，因此，滲透性極佳，能夠更快地完成傳質(zhì)過程而達(dá)到平 衡，實(shí)現(xiàn)高效的分離過程。（三）超臨界流體的溶解能力超臨界流體的溶解度隨密度的增大而增大。根據(jù)“相似相溶”的原則，選用 的超臨界流體在化學(xué)性質(zhì)上與待分離組分的性質(zhì)越相似時，超臨界流體對分離組 分的溶解能力就越大。二、超臨界液體萃取的特征（1）超臨界流體的溶解能力隨著其密度的增大而提高。（2）在接近臨界點(diǎn)處只要溫度和壓力有微小的變化，超臨界流體的密度和溶解度都會有較大變化。（3）萃取過程完成后，超臨界流體由于狀態(tài)的改變，很容易從分離成分中脫除

27、， 不給產(chǎn)品和食品原料造成污染。（4）超臨界流體萃取技術(shù)中所選用的萃取劑，其臨界溫度不過高也不過低，并且 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有無腐蝕性。（5）超臨界流體萃取技術(shù)屬于高壓技術(shù)，需要相應(yīng)的高壓設(shè)備。三、超臨界液體的選擇超臨界流體萃取的工藝過程中，對超臨界流體的要求，第一是具有良好的溶 解性能，第二還要求其具備良好的選擇性。提高超臨界流體選擇性的原則有兩條：工藝中的操作溫度與超臨界流體的溫度接近；超臨界流體的化學(xué)性質(zhì)與待萃取成分的化學(xué)性質(zhì)相似。對于超臨界流體的具體要求，還有如下幾點(diǎn)：第9頁共54頁作為超臨界流體的萃取劑，應(yīng)該是化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無毒性和無腐蝕性，不 易燃和不易爆。超臨界流體的操作溫度就接近

28、于常溫， 以節(jié)約能源，并使操作溫度低于待 分離成分的分解溫度。超臨界流體的操作壓力就盡可能的低，以降低壓縮機(jī)的動力消耗。對于待分離成分要有較高的選擇性和較高的溶解度。來源廣泛，價格便宜。以CO2最為常用，對食品分離尤為重要，是因?yàn)椋篊O2的臨界溫度為常溫（31.4C）,操作溫度接近于常溫，對熱敏性的食 品原料無破壞性作用。CO2的臨界壓力為7.4MPa,比較容易達(dá)到。CO2的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不燃燒、不爆炸、無腐蝕性。CO2無色、無毒、無臭，對于食品和醫(yī)藥等行業(yè)無污染之慮。CO2具有防氧化和抵制好氣性微生物活動的作用， 因此食品物料在分離過 程中不易腐變，對分離過程有利。CO2容易提到較純的產(chǎn)品，

29、來源方便，價格便宜。第三節(jié) 超臨界流體萃取的工藝流程及在食品工業(yè)中的應(yīng)用一、超臨界流體萃取的典型流程超臨界液體萃取過程分萃取和分離兩個階段。在萃取階段，超臨界流體有最大的密度，對待分離組分有最大的溶解度，因 而能將所需組分從物料中萃取出來。在分離階段，超臨界流體的密度變化到最小， 對其中已萃取出來的組分溶解度也最小，使之析出而實(shí)現(xiàn)分離。根據(jù)對過程中超臨界流體密度調(diào)控的方法不同，上述過程可分為等溫變壓 法、等壓變溫法、吸附法3個基本流程。.等溫變壓法通過壓力的變化引起超臨界流體密度的變化， 使得組分從超臨界流體中析出 分離。萃取劑經(jīng)壓縮達(dá)到最大溶解能力的狀態(tài)點(diǎn) （即超臨界狀態(tài)）后加入到萃取 器中

30、與物料接觸進(jìn)行萃取。當(dāng)萃取了溶質(zhì)的超臨界流體通過膨脹閥進(jìn)入分離槽 后，壓力下降，超臨界流體密度也下降，對其中溶質(zhì)的溶解度跟著下降。溶質(zhì)于 是析出并在槽底部收集取出。釋放了溶質(zhì)后的萃取劑經(jīng)壓縮機(jī)升溫加壓后再送回 萃取槽中循環(huán)使用。.等壓變溫法超臨界流體的壓力保持一定，而利用溫度的變化，引起超臨界流體對溶質(zhì)溶 解度的變化，從而實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)與超臨界流體的分離的過程。 降溫升壓萃取劑，處于 超臨界狀態(tài)，被送入到萃取槽中與物料接觸進(jìn)行萃取。 然后，萃取了溶質(zhì)的超臨 界流體經(jīng)加熱器升溫后在分離槽析出溶質(zhì)。 作為萃取劑的氣體經(jīng)冷卻器等降溫升 壓后送回萃取槽循環(huán)使用。.吸附法將萃取了溶質(zhì)的超臨界流體，再通過一種吸

31、附分離器，這種吸附分離器中裝 有吸吸附溶質(zhì)而不吸附萃取劑的吸附劑。當(dāng)萃取了溶質(zhì)的超臨界流體通過這種吸 附分離器后，溶質(zhì)便 與萃取劑即超臨界流體分離，萃取劑經(jīng)過壓縮后循環(huán)使用。二、超臨界流體萃取技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用第10頁共54頁.植物油的提取.咖啡豆和茶葉中咖啡堿的提?。?）水洗流程CO2將咖啡堿萃取出來后，在水洗塔用水洗脫，使咖啡堿轉(zhuǎn)入水相，CO2則循環(huán)使用。水相中的咖啡堿可用蒸儲法分離。（2）吸附流程萃取了咖啡堿的CO2經(jīng)過活性炭柱，其中咖啡堿被活性炭吸附而與CO2分離，經(jīng)解吸后即得到咖啡堿，而CO2則回到萃取器中循環(huán)使用。.啤酒花有效成分的提取.處理食品原料.去除煙草中的尼古丁.從木漿

32、廢液中提取香草醛.生化制品及天然產(chǎn)物的分離提取第四章 反相微膠團(tuán)萃取與雙水相萃取技術(shù)第一節(jié)反相微膠團(tuán)萃取技術(shù)一、反相微膠團(tuán)的概念及分離原理（一）反相微膠團(tuán)萃取的概念在水溶液中形成膠體或微膠團(tuán)，是由于表面活性劑中極性基團(tuán)定向排列的結(jié) 果。由于在水溶液中加入表面活性劑而形成的膠體中，表面活性劑的極性基團(tuán)（即疏水性部分）則靠內(nèi)而互相聚集成一種微膠團(tuán)。如果溶劑為非極性液體，當(dāng)加入表面活性劑到一定濃度時，由于表面活性劑 的極性和非極性基團(tuán)的定向排列，也會形成微膠團(tuán)結(jié)構(gòu)。但是這種微膠團(tuán)結(jié)構(gòu)與 上述的微膠團(tuán)結(jié)構(gòu)相反，表面活性劑的非極性基團(tuán)部分朝外，即朝向非極性溶劑 部分，而極性基團(tuán)部分則朝內(nèi)，因而形成一種與

33、水相微膠團(tuán)結(jié)構(gòu)反向的聚集體， 這種聚集體就稱為反相微膠團(tuán)。在反相微膠團(tuán)中，表面活性劑的極性基團(tuán)部分圍成一個極性核心，稱為水池。 這個水池包括表面活性劑的極性基團(tuán)內(nèi)表面和其中的水分，以及溶解于水中的離子等。具有親水性的生物大分子就可以溶解于水池中的水分而被以微膠團(tuán)的形式 萃取出來。將待分離組分以微膠團(tuán)的形式進(jìn)行萃取的過程，稱為微膠團(tuán)萃取或膠團(tuán)萃 取，如果待分離組分是率反相微膠團(tuán)的形式被萃取，就稱為反相微膠團(tuán)萃取。（二）反相微膠團(tuán)萃取的原理在反相微膠團(tuán)萃取過程中，蛋白質(zhì)或酶等生物大分子主要以水殼的形式存在 于反相微膠團(tuán)中的極性核心部分，能避免與有機(jī)溶劑的直接接觸，因而可以盡量 保持整個萃取過程中生

34、物大分子活性不喪失， 這樣就實(shí)現(xiàn)了既能溶出酶及蛋白質(zhì) 等生物大分子，又能與水分相分離，并盡可能地保存了這些生物大分子的生物活 性。關(guān)于蛋白質(zhì)及酶等生物大分子是以何種形式被反相微膠團(tuán)牟機(jī)理，有三種不同的見解：第11頁共54頁水殼模型：在反相微膠團(tuán)中，由表面活性劑的極性部分圍成一個中心，中心為水等極性溶劑占有，生物大分子就溶解于其中，并且在生物大分子周圍包膜 著一層水殼，對生物大分子起保護(hù)作用。生物大分子雖然溶解于由表面活性劑極性部分圍成的中心，但在中心部分生物大分子是以被吸附的狀態(tài)附著于膠團(tuán)的極性壁上。生物大分子的極性部分與多個微膠團(tuán)的非極性部分連接，由此形成生物大分子溶解于多個微膠團(tuán)之間的一種

35、狀態(tài)。二、影響反相微膠團(tuán)形成的因素1.表面劑和溶劑的種類表面劑要形成反相微膠團(tuán)，在溶劑中的濃度必須達(dá)到一定值，否則就不能形 成微膠團(tuán)，這個形成微膠團(tuán)所必需的最低濃度值，叫做表面活性劑形成微膠團(tuán)的 臨界濃度（CMC）。最常用的表面活性劑為丁二酸二異辛酯磺酸鈉 （AOT）,溶劑通常為異辛烷。 2.水相的酸堿度反相微膠團(tuán)內(nèi)水相的酸堿度，主要影響到生物大分子的荷電性，進(jìn)而影響到 生物大分子與反相微膠團(tuán)的結(jié)合。因?yàn)?AOT屬于陰離子型表面活性劑，其親水 部分帶負(fù)電荷，形成的反相微膠團(tuán)內(nèi)表面帶負(fù)電。當(dāng)反相微膠團(tuán)內(nèi)水相的pH值小于生物大分子的等電點(diǎn) pl時，可使生物大分子帶正電，這樣生物大分子可與 反相微膠

36、團(tuán)中帶負(fù)電性的內(nèi)表面相吸，形成比較穩(wěn)定的含生物大分子的反相微膠 團(tuán)，可以較容易地進(jìn)行萃取。.水相中離子強(qiáng)度反相微膠團(tuán)中的水相的離子強(qiáng)度對反相微膠團(tuán)萃取的影響，可以用鹽溶和鹽析現(xiàn)象來解析。在低離子強(qiáng)度下，酶和蛋白質(zhì)等生物大分子表面上的荷電性和親 水性得到了改善，溶解度上升，與反相微膠團(tuán)內(nèi)表面的結(jié)合力增強(qiáng)。 當(dāng)水相中的 離子強(qiáng)度增加到一定程度時，由于抵消了生物大分子表面上的電荷， 并且由于離 子的水化作用而使蛋白質(zhì)分子表面上的水膜消失，減少了與反相微膠團(tuán)內(nèi)表面的結(jié)合作用，從而降低了溶解度，使分離效率降低。.3 0值的大小反相微膠團(tuán)中的水分含量通常用非極性溶液中的水濃度和表面活性劑濃度 比0來表示。

37、00 =H2。/表面活性劑0越大，反相微膠團(tuán)內(nèi)的水分含量就越多，形成的反相微膠團(tuán)的半徑就越 大。能溶解水溶性成分的量就越多。三、反相微膠團(tuán)分離方法反相微膠團(tuán)分離過程分兩步：第一步是含生物大分子的反相微膠團(tuán)的形成， 第二步是反相微膠團(tuán)的破乳及生物大分子的釋放。形成含生物大分子的反相微膠團(tuán)的方法：.相轉(zhuǎn)移法通過將含生物大分子的水相與溶解有表面活性劑的有機(jī)相接觸，緩慢地攪 拌。.注入法通過將含有生物大分子的水溶液注入含有表面活性劑的有機(jī)相中。第12頁共54頁.溶解法對于固體粉末中含有生物大分子，或不溶于水的生物大分子，可采用溶解法 進(jìn)行。先制備好含水的反相微膠團(tuán)的有機(jī)溶液， 然后把含生物大分子的固體

38、粉末 加進(jìn)此種反相微膠團(tuán)的有機(jī)溶液中，同時攪拌，生物大分子慢慢地即可進(jìn)入到反 相微膠團(tuán)內(nèi)的水中心而實(shí)現(xiàn)萃取過程。制備了含生物大分子的反相微膠團(tuán)后， 可參考液膜分離的方法，將混合液送 入到澄清器中，使反相微膠團(tuán)與外相的機(jī)溶劑分離。 然后對溶解有生物大分子的 反相微膠團(tuán)進(jìn)行破乳以其中的生物大分子，破乳的原理和方法有化學(xué)破乳和物理 破乳等。四、影響反相微膠團(tuán)萃取效果的因素.水相pH值pH值對萃取率的影響主要體現(xiàn)在改變蛋白質(zhì)的表面電荷上。當(dāng) pHpI時, 表面帶負(fù)電荷，而AOT是一種陰離子表面活性劑，它的形成的反相微膠團(tuán)的內(nèi) 表面帶負(fù)電荷，由于蛋白質(zhì)表面的負(fù)電荷與反相微膠團(tuán)表面電荷之間的排斥作 用，使

39、蛋白質(zhì)的萃取率幾乎為零。在 pHpI時，蛋白質(zhì)表面帶正電荷，這時蛋 白質(zhì)表面與反相微膠團(tuán)內(nèi)表面之間的吸引力，蛋白質(zhì)的萃取率接近100%。.鹽濃度鹽濃度（離子強(qiáng)度）對蛋白質(zhì)萃取的影響來自兩方面：離子強(qiáng)度增大時， 反相微膠團(tuán)內(nèi)表面的雙電層變薄，使蛋白質(zhì)表面與反相微膠團(tuán)表面間的靜電引力 下降；反相微膠團(tuán)內(nèi)表面的雙電層變薄后， 也減小了表面活性劑極性頭之間的 斥力，從而使反相微膠團(tuán)變小。.蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)相對分子質(zhì)量大于30000時，最大萃取率小于60%。.陽離子種類陽離子種類對萃取的影響主要體現(xiàn)在改變反相微膠團(tuán)內(nèi)表面的電荷密度上。 通常反相微膠團(tuán)中表面活性劑的極性部分不會是完全電離的，有很

40、大一部分陽離子仍在膠團(tuán)的內(nèi)表面上。極性部位的電離程度越大，反相微膠團(tuán)內(nèi)表面的電荷密 度越大，產(chǎn)生的反相微膠團(tuán)也越大。第二節(jié)雙水相萃取技術(shù)一、雙水相體系概念把兩種或兩種以上具有一定濃度的親水性聚合物溶液混合后靜置，這些親水性高分子聚合物并不混為一相，而是分成多個液相，這種現(xiàn)象稱之為聚合物的不 相容性。由于這些聚合物都是以水作為溶劑的， 因此形成上述的兩個相體系就稱 為雙水相體系。利用雙水相的成相現(xiàn)象及待分離組分在兩相間分配系數(shù)的差異， 進(jìn)行組分分離或提純的技術(shù)就叫做雙水相萃取技術(shù)。聚合物的不相容性主要是由于聚合物分子間的空間阻礙作用，使互相之間無 法滲透而分離成多相。二、雙水相萃取的特點(diǎn)及其應(yīng)用

41、雙水相萃取技術(shù)主要應(yīng)用于生物大分子的分離和提純，如酶、蛋白質(zhì)、核酸、病毒和細(xì)胞等。因?yàn)榇朔N分離技術(shù)對于生物大分子的活性具有良好的效果。第13頁共54頁雙水相分離技術(shù)中的聚合物多數(shù)為聚乙二醇類大分子。在生化分離中應(yīng)用得 較多的為聚乙二醇(PEG) /萄取糖(DEX)和聚乙二醇(PEG) /無機(jī)鹽體系。雙水相萃取技術(shù)具有如下幾個特點(diǎn)：(1)體系的含水量多達(dá)70%90%,兩相界面的張力極低，有助于保持學(xué)生物質(zhì) 的活性和相間的質(zhì)量傳遞。 上下相密度差小，一般為102g/cm3左右，是水的密度的百分之一。(3)分相時間短，對于聚合物/無機(jī)鹽體系，分相時間為515min；對于聚合物/聚合物體系，自然分相時

42、間為 560min。(4)雙水相萃取易于連續(xù)操作和工程放大，可直接線性放大40000倍。(5)雙水相萃取處理容量大，能耗低。成本主要消耗在聚合物的使用上，而聚合物可循環(huán)使用，因此生產(chǎn)成本較低。利用雙水相萃取技術(shù)從微生物破碎細(xì)胞中分離多種酶的結(jié)果表明：(1)大多數(shù)情況下，目標(biāo)產(chǎn)物的回收率高于 90% o(2)目標(biāo)產(chǎn)物的分配系數(shù)多在120范圍，一般大于3。(3)大量雜質(zhì)蛋白能夠與所有固體物質(zhì)一起被去除，與其他常用固液分離方法相比，雙水相萃取法可省去一到兩步過程。三、影響組分在雙水相系統(tǒng)中分配的主要因子.聚合物的相對分子質(zhì)量聚合物的相對分子質(zhì)量的增加，生物大分子或顆粒在該聚合物相中的分配系 數(shù)會下降

43、。對于相對分子質(zhì)量大的蛋白質(zhì)，PEG相對分子質(zhì)量的增加對其分配系數(shù)的影響比對相對分子質(zhì)量小的蛋白質(zhì)的影響更大。PEG的相對分子質(zhì)量磊的細(xì)胞碎片的分配行為影響也非常顯著。.成相溶液的濃度當(dāng)成相溶液的濃度接近于臨界點(diǎn)時， 可溶性組分如蛋白質(zhì)等，會均勻地分配 于兩相之中；當(dāng)該濃度遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)時，蛋白質(zhì)則走向于一側(cè)分配。當(dāng)聚合物濃度 增加時，細(xì)胞器、細(xì)胞碎片等顆粒物質(zhì)通常更走向于相界面分配。. pH 值pH值對組分在雙水相分配行為的影響較為復(fù)雜。主要是 pH值的變化能夠 影響蛋白質(zhì)中可解離基團(tuán)的離解度，使得蛋白質(zhì)表面所帶電荷量發(fā)生改變。. 無機(jī)鹽在PEG/DEX體系中，加入無機(jī)鹽會使兩相間形成電位差，這

44、對屬于兩性電 解質(zhì)的生物大分子如蛋白質(zhì)、酶和核酸等的分配行為產(chǎn)生很大影響。 加入適當(dāng)?shù)?鹽類可促進(jìn)帶相反電荷蛋白質(zhì)組分的分離，但是隨著鹽濃度的增加，這種作用。 當(dāng)鹽濃度很大時，由于鹽析作用，蛋白質(zhì)易于分配于上相，分配系數(shù)幾乎隨著鹽 濃度的成對數(shù)地增大。對于PEG/無機(jī)鹽體系，鹽濃度的增加會使下相體積增大，也使細(xì)胞碎片趨 于向PEG相分配。.溫度溫度的變化可以改變相的組成。溫度升高時，兩相中蛋白質(zhì)的分布趨于一致。 增加聚合物的濃度，可以使溫度作用降低或消失。四、聚合物和鹽的回收再利用對于PEG循環(huán)使用的最好辦法是：直接重復(fù)利用一級萃取時的終了 PEG相。第14頁共54頁如果目標(biāo)產(chǎn)物在PEG相中，

45、則在PEG相加鹽形成新的雙水相，反萃取使得PEG 與目標(biāo)產(chǎn)物分離。但此法的不足之處在于：由于反復(fù)的使用，PEG相中可能含有大量的蛋白酶和其他雜質(zhì)，這對目標(biāo)產(chǎn)物的分離不利。此外回收聚合物的方法 還有：超濾法、離心法、清洗法、酶沉淀法、離子交換吸附法等。鹽的回收：最常用的是通過冷卻鹽相至 6C,使得鹽結(jié)晶析出，然后用離心 或過濾等方法收集；也可用電滲析的方法回收鹽類以及對 PEG相除鹽。五、雙水相萃取技術(shù)的新發(fā)展.雙水相萃取與細(xì)胞破碎過程相結(jié)合.親和雙水相萃取.雙水相萃取與膜分離相結(jié)合.使用帶配基的吸附劑微粒特異性吸附待分離的生物大分子.雙水相萃取與生物轉(zhuǎn)化相過程相結(jié)合第五章膜分離技術(shù)第一節(jié)概述一

46、、膜分離技術(shù)的發(fā)展二、膜分離技術(shù)的原理用天然或人工合成的高分子膜，以外加壓力或化學(xué)位差為推動力，對雙組分 或多組分的溶液進(jìn)行分離、分組、提純和富集的方法，統(tǒng)稱為膜分離法。用半透膜把容器隔開，膜的一側(cè)是溶液，另一側(cè)是純水，或者膜的兩側(cè)是濃 度不同的溶液。小分子溶質(zhì)透過膜向純水側(cè)移動， 而純水透過膜向溶液移動，此 種現(xiàn)象稱為滲析（或透析）。如果僅有溶液中的溶劑透過膜向純水側(cè)移動，而溶 質(zhì)不透過膜，這種分離現(xiàn)象稱為滲透。只能使溶劑或溶質(zhì)透過的膜稱為半透膜。如果半透膜只能使某些溶質(zhì)或溶劑透過， 而不能使另一些溶質(zhì)溶劑透過，稱之為 膜的選擇透過性。屬于滲析的分離方法有：電滲析、壓滲析、滲析、熱滲析；屬于

47、滲透的分離 方法有：電滲透、反滲透、滲透、熱滲透。引起上述分離的推動力各有不同，有 電位差、壓力差、濃度差、溫度差。三、膜分離技術(shù)的分類按膜的不同可分固膜及液膜兩大類。固膜包括：氣體滲透、反滲透、超濾、滲析、電滲析。液膜包括：液膜、固定液膜。氣體滲透的推動力為分壓差。反滲透的推動力為壓力差（110MPa）。超濾的推動力是壓力關(guān)（0.11MPa）。滲析的推動力為濃度差。電滲析的推動力為電位差。液膜分離法是利用液體把被分離物包裹成乳化型液膜而被分離。四、膜分離技術(shù)的特點(diǎn)第15頁共54頁膜分離技術(shù)一般在常溫下操作，不需要加熱，被分離的物質(zhì)能保持原來的性 質(zhì)，能保持食品原有的色、香、味、營養(yǎng)和口感；能

48、保持生物物質(zhì)的活性。其選 擇性強(qiáng)，操作過程簡單，適用范圍廣。五、膜的分類和性質(zhì)常用的膜分為微孔膜、非多孔性膜、非對稱膜(包括醋酸纖維素膜、芳香聚 酰胺膜、聚碉膜等)、離子交換膜等固相膜以及液膜。.微孔膜分無機(jī)物與高分子聚合物兩類。一類是由氧化鋁、氮化硅、碳、鴇、鍥、鋁 及多種有機(jī)高分子等微細(xì)粉末在高溫下燒結(jié)而成，用于氣體、液體中微粒分離。 另一類是由纖維素的聚合物制成，用于微孔過濾或超濾。.非多孔性膜又稱均質(zhì)膜，其結(jié)構(gòu)較為致密。其特點(diǎn)為分離系數(shù)較高，但滲透系數(shù)較低。 主要有硅橡膠膜，適用于氣體分離和滲透蒸發(fā)，用于氣調(diào)保鮮有較好的效果。 3.非對稱膜是一種復(fù)合膜，由極薄的活化皮層和較厚的多孔支撐

49、層組成， 由同一材料或 不同材料復(fù)合而成。皮層的分離特性與滲透性能均較好，用作超濾和反滲透膜。(1)醋酸纖維膜(CA)(2)芳香聚酰胺膜(3)聚碉膜.離子父換月昊是一種帶電基團(tuán)的聚合膜，分陽離子交換膜和陰離子交換膜。陽交換膜帶有 陽離子交換基團(tuán)，帶負(fù)電荷，能選擇性地吸附陽離子并使之通過， 對陰離子則產(chǎn) 生排斥現(xiàn)象。與之相反，陰離子交換膜帶有陰離子交換基團(tuán)，帶正電荷，能選擇 性地吸附陰離子，并使之通過而排斥陽離子。離子交換膜主要用于電滲析。常用的有聚乙烯膜或聚氯乙烯膜。陽離子交換基團(tuán)為磺酸和磷酸型，陰離子 交換基團(tuán)為季胺、叔胺和仲胺等。.液膜按使用條件不同，分液體表面活性劑膜和多孔聚合物固定液膜

50、兩種。(1)液體表面活性劑膜由溶劑、表面活性劑和添加劑組成。溶劑分油溶性溶劑和水溶劑兩大類。 表 面活性劑有促進(jìn)膜過程乳化和選擇性分離作用。添加劑包括載體和膜穩(wěn)定劑等。 載體的作用是使分離組分與載體在液膜的一端形成結(jié)合體，然后在液膜中擴(kuò)散， 及至擴(kuò)散至液膜的另一側(cè)時將分離組分釋放，載體再返回與其他分離組分結(jié)合。 載體的類型依據(jù)分離組分的特點(diǎn)來選擇。 膜穩(wěn)定劑的作用為提高膜的穩(wěn)定性。 此 外尚有增稠劑。成膜的方法是：將成膜劑倒入分離液中，高速攪拌使之乳化，乳化液外層即 為液膜，液膜分油包水型和水包油型兩類。 水溶性分離液采用油溶性成膜劑， 乳 化后形成油包水型液膜；油溶性分離液則采用水溶性成膜劑

51、，形成水包油型液膜。 (2)多孔聚合物固定液膜采用多孔聚合物如微孔聚丙烯薄膜等作為固定膜，然后用有機(jī)膜液體將其孔 隙填充，制成多孔聚合物固定膜。這種液膜幾何構(gòu)型穩(wěn)定，可直接用連續(xù)分離過第16頁共54頁按膜的材料不同,固相膜可分為纖維素酯類和非纖維素酯類膜。按膜斷面的物理形態(tài)，可將膜分為對稱膜、非對稱膜和復(fù)合膜。對稱膜又稱 為均質(zhì)膜。非對稱膜指膜的斷面不對稱，這種膜具有極薄的表面活性層（或致密 層）及其下部的多孔支撐層。復(fù)合膜是用兩種不同的膜材料，分別制成表面活性 層和多孔支撐層。按膜的形狀，可將膜分為平板膜、管式膜和中空纖維膜。按膜的制備方法，有澆鑄膜，又稱流涎膜，常用于非對稱膜和復(fù)合膜多孔支

52、 撐層的制作。除些之外，還具有標(biāo)準(zhǔn)孔徑的核徑跡一一蝕刻膜和經(jīng)拉伸成孔的拉 伸膜，這兩種膜用于微孔過濾和超濾等過程。按孔徑大小來劃分，孔徑在 0.00010.001仙m的稱為反滲透膜；孔徑在 0.0010.1 m的稱為超濾膜；，孔徑在0.110仙m的稱為微孔膜?？讖降臏y定 可用最大氣泡點(diǎn)法、標(biāo)準(zhǔn)尺寸粒子法或細(xì)菌過濾法測定。第二節(jié)反滲透分離技術(shù)一、反滲透膜的透過機(jī)理（一）氫鍵理論及結(jié)合水-空穴有序擴(kuò)散模型在醋酸纖維素膜中，由于氫鍵和范德華力的作用，大分子之間是牢固結(jié)合的， 形成晶相區(qū)域和非品相區(qū)域。在非品相區(qū)，水與醋酸纖維素染基上的氧原子形成 氫鍵，形成所謂的“結(jié)合水”。當(dāng)醋酸纖維吸附了第一層水分

53、子后，會引起水分 子嫡值的極大下降，類似于冰的構(gòu)造。與醋酸纖維不能形成氫鍵的離子或分子不 能透過結(jié)合水區(qū)域，而能和膜產(chǎn)生氫鍵的中分子（如水、酸等）可以進(jìn)入結(jié)合水 區(qū)域，并進(jìn)行遷移通過膜。在壓力作用下，溶液中的水分子和醋酸纖維素的好基 上的原子形成氫鍵，而原來水分子間形成的氫鍵被斷開， 水分子解離出來和談基 上的原子形成氫鍵。這樣連續(xù)的氫鍵形成與斷開，使水分子進(jìn)入膜的多孔層，由 于多孔層含有大量的毛細(xì)管水，水分子能暢通流出膜外。這種離子或分子的遷移 稱為孔穴擴(kuò)散。（二）優(yōu)先吸附一一毛細(xì)孔流理論當(dāng)溶液與高分子多孔膜接觸時，如果膜的化學(xué)性質(zhì)使膜對溶質(zhì)負(fù)吸附， 對水 優(yōu)先吸附，那么在膜與溶液界面附近的

54、溶質(zhì)濃度會急劇下降， 在界面上形成被吸 附的純水層，由于壓力作用將其通過膜表面的毛細(xì)孔，即可獲得純水。當(dāng)膜表面毛細(xì)孔徑為純水層的2倍時，每個毛細(xì)孔就得到最大的流量純水， 此時該毛細(xì)孔徑稱為“臨界孔徑”。（三）溶解擴(kuò)散理論溶劑與溶質(zhì)透過膜的機(jī)理是由于溶劑與溶質(zhì)在膜中的溶解。在化學(xué)位差的推動力作用下，使之透過膜。（四）反滲透膜的其他透過理論（1）擴(kuò)散一細(xì)孔流理論膜表面存在細(xì)孔，水和溶質(zhì)能通過細(xì)孔，并在溶解、擴(kuò)散的雙重作用下透過第17頁共54頁 膜。(2)自由體積理論聚合物在自由體積是系指無水時未被高分子占據(jù)的空間。 水的自由體積是指 水溶脹時膜中純水所占的空間。水可在膜的自由體積中遷移，而鹽只能在

55、水的自 由體積中遷移，多而使膜具有選擇透過性。(3)離子性膜的透過機(jī)理二、反滲透分離原理一個容器中間用半透膜分隔為兩部分， 一邊是水，一邊是溶液。當(dāng)兩邊液體 上部壓力Pl = P2時，由于水的化學(xué)勢 呼大于溶液的化學(xué)勢以2,引起水向溶液方 向滲透。如果增加溶液上方壓力 P2,當(dāng)P2與P1之差等于某一數(shù)值時，水就不會 向溶液方向滲透，溶液中的水也不會作反向滲透， 兩邊處于滲透平衡狀態(tài)。這時 P2仍=口稱為溶液的滲透壓。當(dāng)P2繼續(xù)增大，使P2仍口時，則溶液一側(cè)的 水就會透過半透膜向水側(cè)方向滲透。此時水滲透方向正好與上述過程的方向相 反，稱為反滲透。這會使溶液中的水分子與溶質(zhì)分離，溶液不斷地增濃。利

56、用反 滲透原理就可將溶液的不同組分分離。 要進(jìn)行反滲透分離，就必須向溶液施加一 個比溶液滲透壓大的壓力，同時選擇一個滲透選擇性能良好的半透膜。 反滲透是 在常溫和大氣壓下收集透過膜的產(chǎn)物。產(chǎn)物中富集了混合物中一種或多種組分， 而在高分壓側(cè)留下其他組分的濃縮溶液。 反滲透方法適用于無機(jī)或有機(jī)物質(zhì)的水 溶液或非水溶液的分離。利用溶劑或溶質(zhì)對膜的選擇性滲透原理。 在反滲透過程中雖然與膜的微孔孔 徑大小有一定的關(guān)系，但主要的是受膜材料的化學(xué)性質(zhì)影響， 主要決定于膜的選 擇性。當(dāng)膜表面孔直徑小于溶劑分子或溶質(zhì)分子直徑時，溶質(zhì)依然可以分離。這說明篩分過濾原理對反滲透是不適用的。三、反滲透分離溶質(zhì)的物理化學(xué)

57、準(zhǔn)則(一)溶質(zhì)、溶劑、聚合物的相互作用(二)分離有機(jī)溶質(zhì)的物理化學(xué)準(zhǔn)則(三)分離無機(jī)溶質(zhì)的物理化學(xué)準(zhǔn)則四、反滲透分離溶質(zhì)的影響因素五、反滲透基本遷移議程六、影響反滲透操作的因素(1)濃度差極化當(dāng)溶質(zhì)不透過膜(或只有少量透過)面溶劑卻透過膜發(fā)生遷移時，在溶液與 膜的界面上，溶質(zhì)逐漸積累。當(dāng)其濃度超過主體液濃度時，產(chǎn)生了界面與主體液 之間的濃度梯度，引起溶質(zhì)從界面向主體液擴(kuò)散，這種現(xiàn)象稱為濃度差極化。其 結(jié)果會引起滲透壓增加，這就使有限的操作壓力減少，引起透過通量減少。濃度 差極化現(xiàn)象主要由界面-溶液的邊界層厚度來控制。 一般可以通過提高主體溶液 的流速，或增加其湍流程度來減輕濃差極化現(xiàn)象的影響。

58、(2)膜的壓實(shí)第18頁共54頁當(dāng)反滲透壓力較高時，會使膜產(chǎn)生變形，不透過物在膜表面沉積而被壓實(shí)， 影響透過的通量。改進(jìn)的方法為提高膜的機(jī)械強(qiáng)度， 減少膜的變形。同時定期進(jìn) 行反沖洗，恢復(fù)膜原有的孔隙。（3）膜的降解膜的降解包括化學(xué)降解和生物降解兩種。 可通過選用化學(xué)性能穩(wěn)定的膜材料 解決化學(xué)降解問題。生物降解是微生物在膜上繁殖的結(jié)果， 可用清洗可消毒的方 法處理，如用甲醛溶液對膜進(jìn)行消毒。（4）膜的結(jié)垢垢主要由懸浮物、離子化合物或鹽類物質(zhì)構(gòu)成。懸浮物可通過預(yù)處理除去， 離子化合物或鹽類物質(zhì)可通過添加螯合劑除去。七、膜材料目前工業(yè)上應(yīng)用膜材料主要有醋酸纖維素和芳香聚酰胺兩大類。醋酸纖維素膜是疏水

59、性的，用硅油處理能提高其分離率。多數(shù)高分子材料膜雖然有高的分離率， 但透水速度很低。隨著親水性基團(tuán)的 增加，其透水速度加大。將水溶性高分子混入非水溶性高分子材料中，制成多孔 結(jié)構(gòu)的膜，使其透水速度增加。鹽的透過性隨膜透水性的增加而增加。（一）膜材料的選擇采用Lonsdale法：制作標(biāo)準(zhǔn)膜，將高分子材料溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲?，?后使溶劑全部蒸發(fā)；對膜進(jìn)行正滲透和反滲透試驗(yàn)，測定水的透過系數(shù)Pi;用吸附法測定食鹽的擴(kuò)散系數(shù) Ds和分配系數(shù)K;按公式計算食鹽的理論分 離率，以分離率能否達(dá)到99%作為判斷標(biāo)準(zhǔn)之一。用測定的 Pi值，計算水的透 過速度大小，作為判斷標(biāo)準(zhǔn)之二。（二）膜材料的物化穩(wěn)定性膜的抗

60、氧化性能，決定于分離溶液的性質(zhì)和膜材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)。氧化、水解 的結(jié)果使膜顏色加深、發(fā)硬變脆。在脫鹽過程中，芳香聚酰胺膜對游離氯的允許 含量要比醋酸纖維素膜低得多。聚碉酰胺反滲透膜在高濃度CrO3水溶液中，由于長時間氧化，會引起表面脆裂。這主要是由于主鍵中的N N鍵了發(fā)生斷裂。當(dāng)高分子中具有易水解的化學(xué)基團(tuán)時，在酸或堿的作用下會產(chǎn)生水解降解反應(yīng)， 使膜受到破壞。這主要是因?yàn)?C-N鍵斷裂，形成竣酸或竣酸鹽。在溶液 pH = 12.813.1時，膜的特性粘度隨時間變化。在較低的 pH值下，膜的水解速度較 慢。對于醋酸纖維素膜，分子鍵中-COOR在酸、堿作用下更易水解。為了降低 其水解速度，最佳條件