食品工業(yè)泡沫分離技術(shù)的應(yīng)用

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泡沫分離又稱泡沫吸附分離技術(shù)，是以氣泡為介質(zhì)，以各組分之間的表面活性差為依據(jù)，從而達(dá)到分離或濃縮目的的一種分離方法[1].20世紀(jì)初，泡沫分離技術(shù)最早應(yīng)用于礦物浮選，后來(lái)應(yīng)用于回收工業(yè)廢水中的表面活性劑.直到20世紀(jì)70年代，人們開始將泡沫分離技術(shù)應(yīng)用于蛋白質(zhì)與酶的分離提取[2-3].目前，在食品工業(yè)中，泡沫分離技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于蛋白質(zhì)與酶、糖及皂苷類有效成分的分離提取.由于大部分食品料液都有起泡性，泡沫分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛.

1泡沫分離技術(shù)的原理及特點(diǎn)

1.1泡沫分離技術(shù)的原理

泡沫分離技術(shù)是依據(jù)表面吸附原理，基于液相中溶質(zhì)或顆粒之間的表面活性差異性.表面活性強(qiáng)的物質(zhì)先吸附于分散相與連續(xù)相的界面處，通過鼓泡形成泡沫層，使泡沫層與液相主體分離，表面活性物質(zhì)集中在泡沫層內(nèi)，從而達(dá)到濃縮溶質(zhì)或凈化液相主體的目的.

1.2泡沫分離技術(shù)的特點(diǎn)

1.2.1優(yōu)點(diǎn)

（1）與傳統(tǒng)分離稀濃度產(chǎn)品的方法相比，泡沫分離技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作，更加適合于稀濃度產(chǎn)品的分離.（2）泡沫分離技術(shù)分辨率高，對(duì)于組分之間表面活性差異大的物質(zhì)，采用泡沫分離技術(shù)分離可以得到較高的富集比.（3）泡沫分離技術(shù)無(wú)需大量有機(jī)溶劑洗脫液和提取液，成本低、環(huán)境污染小，利于工業(yè)化生產(chǎn).

1.2.2缺點(diǎn)

表面活性物質(zhì)大多數(shù)是高分子化合物，消化量比較大，同時(shí)比較難回收.此外，溶液中的表面活性物質(zhì)濃度不易控制，泡沫塔內(nèi)的返混現(xiàn)象會(huì)影響到分離效果[4].

2泡沫分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

2.1蛋白質(zhì)的分離

在分離蛋白質(zhì)的過程中，表面活性差異小的蛋白質(zhì)，吸附效果受到氣-液界面吸附結(jié)構(gòu)的影響，因此蛋白質(zhì)表面活性的強(qiáng)度是考察泡沫分離效果的主要指標(biāo).譚相偉等[5]研究了牛血清蛋白與酪蛋白在氣-液界面的吸附，并發(fā)現(xiàn)酪蛋白對(duì)牛血清蛋白在氣-液界面處的吸附有顯著影響.此后，Hossain等[6]利用泡沫分離技術(shù)對(duì)β-乳球蛋白和牛血清蛋白進(jìn)行分離富集，結(jié)果得到96%β-乳球蛋白和83%牛血清蛋白.Brown等[7]采用連續(xù)式泡沫分離技術(shù)從混合液中分離牛血清蛋白與酪蛋白，結(jié)果表明酪蛋白的回收率很高，而大部分的牛血清蛋白留在了溶液中.Saleh等[8]研究了利用泡沫分離法從乳鐵傳遞蛋白、牛血清蛋白和α-乳白蛋白3種蛋白混合液中分離出乳鐵傳遞蛋白，在牛血清蛋白和α-乳白蛋白的混合液中加入不同濃度的乳鐵傳遞蛋白，并不斷改變氣速，優(yōu)化了最佳工藝條件.結(jié)果得出：在最佳工藝條件下，87%的乳鐵傳遞蛋白留在溶液中，98%牛血清蛋白和91%α-乳白蛋白存在于泡沫夾帶液中.由此可見，利用泡沫分離法可以有效地從3種蛋白質(zhì)混合液中分離出乳鐵傳遞蛋白.Chen等[9]利用泡沫分離技術(shù)從牛奶中提取免疫球蛋白.考察了初始pH值、初始免疫球蛋白濃度、氮流量、柱的高度及發(fā)泡時(shí)間等因素對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果表明：采用泡沫分離方法可以有效地從牛奶中分離出免疫球蛋白.Liu等[10]從工業(yè)大豆廢水濃縮富集大豆蛋白，最佳工藝條件:溫度為50℃，pH值為5.0，空氣流量為100mL•min-1，裝載液體高度為400mm，得到大豆蛋白富集比為3.68.Li等[11]為了提高泡沫析水性，研發(fā)了一種新型的利用鐵絲網(wǎng)進(jìn)行整裝填料的泡沫分離塔，利用鐵絲網(wǎng)整體填料塔泡沫分離法對(duì)牛血清蛋白進(jìn)行分離.通過研究填料對(duì)氣泡大小、持液量、富集比和在不同條件下以牛血清蛋白水溶液作為一個(gè)參考物的有效收集率的影響，評(píng)價(jià)填料的作用.結(jié)果表明，填料可以加速氣泡破裂、減少持液量、提高泡沫析水性和牛血清蛋白的富集比.研究表明，在積液量為490mL，空氣流速為300mL•min-1，牛血清蛋白初始濃度為0.10g•L-1，填料床高度為300mm和初始pH值為6.2的條件下，最佳的牛血清蛋白富集比為21.78，是控制塔條件下富集比的2.44倍.劉海彬等[12]以桑葉為原料，采用泡沫分離法對(duì)桑葉蛋白進(jìn)行分離，并分析了影響分離效果的主要因素，結(jié)果測(cè)得桑葉蛋白回收率為92.50%、富集比為7.63.由此可見，利用泡沫分離法對(duì)桑葉進(jìn)行分離可得到含量較高的桑葉蛋白.與傳統(tǒng)的葉蛋白分離方法如酸（堿）熱法、有機(jī)溶劑法相比較[13-14]，泡沫分離法分離效果好，避免了加熱導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性以及減少有機(jī)溶劑帶來(lái)的環(huán)境污染等問題.李軒領(lǐng)等[15]以亞麻蛋白濃度、NaCl濃度、原料液pH值以及裝液量為主要考察因素，用響應(yīng)面法優(yōu)化了從未脫膠亞麻籽餅粕中泡沫分離亞麻蛋白的工藝條件.在最佳工藝條件下，得到95.8%的亞麻蛋白質(zhì)，而多糖的損失率僅為6.7%.可見，采用泡沫分離技術(shù)可以從未脫膠亞麻籽餅粕中有效分離出亞麻蛋白.

2.2酶的分離

蛋白質(zhì)屬于生物表面活性劑，包含極性和非極性基團(tuán)，在溶液中可選擇性地吸附于氣-液界面.因此，從低濃度溶液中可泡沫分離出酶和蛋白質(zhì)等物質(zhì).Linke等[16]研究了從發(fā)酵液中泡沫分離胞外脂肪酶，考察了通氣時(shí)間、pH值及氣速等主要因素對(duì)回收率的影響，研究得出通氣時(shí)間為50min、pH值為7.0及氣速為60mL/min時(shí)，酶蛋白回收率為95%.Mohan等[17]從啤酒中泡沫分離回收酵母和麥芽等，結(jié)果表明，分離酵母和麥芽所需的時(shí)間不同，而且低濃度時(shí)更加容易富集.Holmstr[18]從低濃度溶液中泡沫分離出淀粉酶，研究發(fā)現(xiàn)在等電點(diǎn)處鼓泡，泡沫夾帶液中的淀粉酶活性是原溶液中的4倍.Lambert等[19]采用泡沫分離技術(shù)考察了β-葡糖苷酶的pH值與表面張力之間的關(guān)系，研究表明，纖維素二糖酶和纖維素酶的最佳起泡pH值分別為10.5和6~9.Brown等[7]利用泡沫分離技術(shù)對(duì)牛血清蛋白與溶菌酶以及酪蛋白與溶菌酶的混合體系分別進(jìn)行了分離純化的研究.結(jié)果表明，溶菌酶不管與牛血清蛋白混合還是與酪蛋白混合，回收率都很低，但是由于溶菌酶可提高泡沫的穩(wěn)定性，從而提高了牛血清蛋白與溶菌酶的回收率.Samita等[20]對(duì)牛血清蛋白與酪蛋白、牛血清蛋白與溶菌酶兩種二元體系分別進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在牛血清蛋白與酪蛋白的蛋白質(zhì)二元體系中酪蛋白在氣-液界面處的吸附占了大部分的氣-液界面，從而阻止了牛血清蛋白在氣-液界面處的吸附.而在牛血清蛋白與溶菌酶的二元體系中，研究表明溶菌酶提高了牛血清蛋白的回收率，同時(shí)提高了泡沫的穩(wěn)定性.針對(duì)這種現(xiàn)象，Noble等[21]也采用泡沫分離法分離牛血清蛋白與溶菌酶的二元體系，研究發(fā)現(xiàn)泡沫夾帶液中存在少量的溶菌酶，提高了泡沫的穩(wěn)定性，牛血清蛋白溶液在低濃度下本來(lái)不能產(chǎn)生穩(wěn)定泡沫，溶菌酶的存在使得其也能產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫.這些研究表明，泡沫分離技術(shù)可以在較低的濃度下分離具有表面活性的蛋白質(zhì)，為泡沫分離技術(shù)在蛋白質(zhì)分離中的應(yīng)用研究開辟了新的領(lǐng)域.國(guó)內(nèi)泡沫分離技術(shù)已應(yīng)用在酶類物質(zhì)分離中，范明等[22]設(shè)計(jì)了泡沫分離裝置，利用泡沫分離技術(shù)分離脂肪酶模擬液和實(shí)際生產(chǎn)生物柴油的水相脂肪酶溶液，對(duì)水相脂肪酶進(jìn)行回收并富集.考察了通氣速度、進(jìn)料酶濃度及水相脂肪酶溶液中pH值等主要因素對(duì)分離效果的影響，當(dāng)通氣速度為10L/(LH)、進(jìn)料酶濃度為0.2g/L、pH值為7.0時(shí)，蛋白和酶活回收率接近于100%，富集比為3.67.研究表明，初始脂肪酶濃度對(duì)泡沫分離的富集比和蛋白回收率有顯著影響，pH值對(duì)富集比、蛋白和酶活回收率無(wú)顯著影響，而氣速是影響蛋白回收速率的一個(gè)重要因素.回收水相脂肪酶的過程中酶活性無(wú)損失.可見，泡沫分離是一個(gè)回收液體脂肪酶的有效方法[22].

2.3糖的分離

糖一般存在于植物和微生物體內(nèi)，可根據(jù)糖與蛋白質(zhì)或者其他物質(zhì)的表面活性差異性，利用泡沫分離技術(shù)對(duì)糖進(jìn)行分離提取[23].Fu等[24]采用離心法從基隆產(chǎn)的甘薯塊中分離提取可溶性糖和蛋白，得到的回收率分別為4.8%和33.8%；而采用泡沫分離法時(shí)，可溶性糖和蛋白的回收率分別為98.8%和74.1%.Sarachat等[25]采用泡沫分離法富集假單胞菌生產(chǎn)的鼠李糖脂，最佳工藝條件下得到鼠李糖脂97%，富集比為4.李志洲[26]利用間歇式泡沫分離法從美味牛肝菌水提物中分離牛肝菌多糖，考察了pH值、原料液濃度、空氣流速、表面活性劑用量及浮選時(shí)間等主要因素對(duì)分離效果的影響，以回收率為指標(biāo)評(píng)價(jià)分離的效果，并優(yōu)化了分離牛肝菌多糖的工藝條件.在最佳工藝條件下，牛肝菌多糖回收率為83.1％.國(guó)內(nèi)關(guān)于食用菌多糖的提取一般利用水提醇析法，但是該法需要消耗大量的乙醇，操作周期長(zhǎng)，能耗大[27-28]，而泡沫分離法具有快速分離、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作連續(xù)、不需高溫高壓及適合分離低濃度組分等優(yōu)勢(shì)，因此間歇式泡沫分離法是提取食用菌多糖的一種有效方法.

2.4皂苷類有效成分的分離

皂苷包含親水性的糖體和疏水性的皂苷元，具有良好的起泡性，是一種優(yōu)良的天然非離子型表面活性成分，因此可采用泡沫分離法從天然植物中分離皂苷[29].泡沫分離法已廣泛用于大豆異黃酮苷元、人參皂苷、無(wú)患子皂苷、竹節(jié)參皂苷、文冠果果皮皂苷等有效成分的分離.

2.4.1大豆異黃酮苷元的分離Liu等[10]

采用泡沫分離與酸解方法從大豆乳清廢水中分離大豆異黃酮苷元，指出從工業(yè)大豆乳清廢水中提取的異黃酮苷元主要以β-苷元的形式存在，并利用傅里葉變換紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)大豆異黃酮和大豆蛋白以復(fù)合物的形式存在.研究結(jié)果表明，利用泡沫分離技術(shù)可以從大豆乳清廢水中有效地富集大豆異黃酮，分離出大豆異黃酮苷元和β-苷元.

2.4.2無(wú)患子總皂苷的分離魏鳳玉等[30]

分別采用間歇和連續(xù)泡沫分離法分離純化無(wú)患子皂苷，利用正交試驗(yàn)，考察了原始料液濃度、氣體流速、溫度、pH值等因素對(duì)無(wú)患子皂苷回收率的影響，確定了泡沫分離最佳工藝條件.林清霞等[31]采用泡沫分離技術(shù)分離純化無(wú)患子皂苷，利用紫外分光光度計(jì)測(cè)定無(wú)患子皂苷含量，通過富集比、純度及回收率判斷分離純化的效果.在進(jìn)料濃度為2.0g/L、進(jìn)料量為150mL、氣速為32L/h、溫度為30℃、pH值為4.3時(shí)，得到富集比為2.153，純度與回收率分別為74.68%和79.19%.研究結(jié)果表明：無(wú)患子皂苷的回收率隨著進(jìn)料濃度的增大而減小，隨著氣速、進(jìn)料量的增大而增大；富集比隨著進(jìn)料濃度、氣速及進(jìn)料量的增大而減小，pH值對(duì)富集比的影響較??；純度隨著進(jìn)料濃度、氣速的增大而降低，進(jìn)料量、pH值對(duì)純度的影響較小.

2.4.3竹節(jié)參總皂苷的分離

竹節(jié)參的主要成分皂苷是一種優(yōu)良的天然表面活性劑，而竹節(jié)參中的竹節(jié)參多糖、無(wú)機(jī)鹽及氨基酸等是非表面活性劑，因此可根據(jù)表面活性的差異，采用泡沫分離技術(shù)對(duì)竹節(jié)參皂苷進(jìn)行分離純化[32-34].張海濱等[35]考察了氣泡大小、pH值、原料液溫度及電解質(zhì)物質(zhì)的量濃度等主要因素對(duì)泡沫分離竹節(jié)參總皂苷的影響，以富集比、純度比及回收率等為指標(biāo)分析分離純化的效果，得出最佳工藝條件：氣泡直徑為0.4~0.5mm，pH值為5.5，溫度為65℃，電解質(zhì)NaCl濃度為0.015mol•L-1.在最佳工藝條件下，總皂苷富集比為2.1，純度比為2.6，回收率為98.33%，能夠得到較好的分離.張長(zhǎng)城等[36]研究了利用泡沫分離技術(shù)對(duì)竹節(jié)參中皂苷進(jìn)行分離純化的方法與條件，指出泡沫分離技術(shù)分離純化竹節(jié)參皂苷具有產(chǎn)品回收率高、工藝簡(jiǎn)單、能耗低及不使用有機(jī)溶劑等優(yōu)點(diǎn)，為竹節(jié)參皂苷的開發(fā)利用提供了技術(shù)支持.

2.4.4文冠果果皮皂苷的分離

文冠果籽油是優(yōu)質(zhì)的食用油，含油率達(dá)35%～40%[37]，同時(shí)可作為生物柴油的原料.文冠果果皮含有皂苷1.5%～2.4%.研究表明，文冠果果皮皂苷具有抗腫瘤、抗氧化及抗疲勞等功效[38].文冠果果皮皂苷的開發(fā)利用帶來(lái)的附加價(jià)值可以有效地降低生物柴油的生產(chǎn)成本.在生產(chǎn)生物柴油的過程中需要處理大量的果皮，因此需要尋求一種簡(jiǎn)單可行、成本低、收率高以及對(duì)環(huán)境污染小的皂苷分離方法.吳偉杰等[39]使用自制起泡裝置，研究了泡沫分離技術(shù)分離文冠果果皮總皂苷的可行性及最佳反應(yīng)條件.研究得出泡沫分離文冠果皂苷的最佳工藝條件為：料液氣體流速為2.5L•min-1，初始濃度為2mg•mL-1，溫度為20℃，pH值為5.與泡沫分離人參、三七等皂苷的氣體流速相比較，文冠果果皮的氣體流速較低，這樣可以更大限度地降低能耗、節(jié)約成本.同時(shí)，泡沫分離文冠果果皮皂苷可在室溫條件下進(jìn)行，降低了加熱所需的能耗.此外，由于文冠果果皮皂苷的水溶液pH值在5左右，泡沫分離時(shí)無(wú)需調(diào)節(jié)pH值.在最佳工藝條件下，得到富集比為3.05，回收率為60.02%，純度為63.35%.研究表明，泡沫分離文冠果果皮皂苷可以達(dá)到較高的富集比、回收率和純度，對(duì)于大力開發(fā)利用生物能源、綜合利用文冠果以及降低生物柴油的成本有著重要意義.

3展望

泡沫分離技術(shù)是一種很有發(fā)展前景的新型分離技術(shù)，在食品工業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，今后在天然產(chǎn)物及稀有物質(zhì)的分離提取等方面有著更加廣泛的應(yīng)用.同時(shí)，泡沫分離技術(shù)也存在一定的局限性，為促進(jìn)泡沫分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展，應(yīng)該在以下方面進(jìn)行深入研究：（1）對(duì)泡沫分離復(fù)雜物料實(shí)際分離過程的泡沫形成情況建立理論模型，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表面活性劑的分離提取建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表面活性劑和非表面活性物質(zhì)間的分離建立指紋圖譜；（2）如何減少泡沫分離非表面活性物質(zhì)時(shí)的表面活性劑消耗量；（3）如何解決泡沫分離高濃度產(chǎn)品時(shí)回收率低的問題；（4）目前泡沫分離設(shè)備存在局限性，應(yīng)研究開發(fā)新型的適合食品工業(yè)分離的泡沫分離設(shè)備，提高泡沫分離的效果[40].

作者：潘麗1，2 張守文3 谷克仁3 趙旭1 單位：1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院 2.河南工業(yè)大學(xué)國(guó)際糧食研究中心 3.河南工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院