泡沫分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用
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0引言
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.20世紀(jì)初，泡沫分離技術(shù)最早應(yīng)用于礦物浮選，后來應(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.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)象會影響到分離效果.
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)酪蛋白對牛血清蛋白在氣-液界面處的吸附有顯著影響.此后，Hossain等利用泡沫分離技術(shù)對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牛血清蛋白進(jìn)行分離.通過研究填料對氣泡大小、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.劉海彬等以桑葉為原料，采用泡沫分離法對桑葉蛋白進(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，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)溶劑帶來的環(huán)境污染等問題.李軒領(lǐng)等以亞麻蛋白濃度、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等利用泡沫分離技術(shù)對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等對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.針對這種現(xiàn)象，Noble等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，初始脂肪酶濃度對泡沫分離的富集比和蛋白回收率有顯著影響，pH值對富集比、蛋白和酶活回收率無顯著影響，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損失.可見，泡沫分離是一個(gè)回收液體脂肪酶的有效方法.
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)對糖進(jìn)行分離提取.Fu等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)間等主要因素對分離效果的影響，以回收率為指標(biāo)評價(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，能耗大[27-28]，而泡沫分離法具有快速分離、設(shè)備簡單、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，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.泡沫分離法已廣泛用于大豆異黃酮苷元、人參皂苷、無患子皂苷、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無患子總皂苷的分離魏鳳玉等分別采用間歇和連續(xù)泡沫分離法分離純化無患子皂苷，利用正交試驗(yàn)，考察了原始料液濃度、氣體流速、溫度、pH值等因素對無患子皂苷回收率的影響，確定了泡沫分離最佳工藝條件.林清霞等采用泡沫分離技術(shù)分離純化無患子皂苷，利用紫外分光光度計(jì)測定無患子皂苷含量，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)對竹節(jié)參皂苷進(jìn)行分離純化.張海濱等考察了氣泡大小、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.張長城等研究了利用泡沫分離技術(shù)對竹節(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%，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.文冠果果皮皂苷的開發(fā)利用帶來的附加價(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單可行、成本低、收率高以及對環(huán)境污染小的皂苷分離方法.吳偉杰等使用自制起泡裝置，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)用將會越來越廣泛，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，對標(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.
作者：單位：潘麗 張守文 谷克仁 趙旭 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 河南工業(yè)大學(xué)