張林華

三達(dá)膜科技（廈門）有限公司，福建 廈門 361000

赤蘚糖醇這種甜味劑（C4H10O4）屬于填充型，被廣泛應(yīng)用于食品加工中。赤蘚糖醇在自然界中廣泛存在。諸如地衣、葡萄、許多發(fā)酵類食品及真菌類蘑菇中均有赤蘚糖醇存在[1]。雖然赤蘚糖醇在含有60%～70%的蔗糖，但卻具有入口清涼、口味純正以及沒有后苦感的特點(diǎn)[2,3]。也正是基于上述特征，使得其在和高倍甜味劑的搭配下，不僅不會破壞高倍甜味劑原本的口味，反而能夠起到抑制高倍甜味劑中不良風(fēng)味的效果[4-5]。因此，赤蘚糖醇自然也成為國內(nèi)外在研究新型甜味劑方面的一大熱點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外在赤蘚糖醇生產(chǎn)方面主要采用了兩種方法，分別是微生物發(fā)酵法與化學(xué)合成法。其中，化學(xué)合成法所用的原料主要包含淀粉與活性鎳催化劑。為了將普通淀粉轉(zhuǎn)化為雙醛淀粉，可使用高淀酸法。這樣經(jīng)水溶解后再與活性鎳催化劑發(fā)生氫化反應(yīng)，便可得到赤蘚糖醇的成品及部分衍生物。然而，此方法不僅生產(chǎn)效率較低，且生產(chǎn)過程花費(fèi)的成本較高，故未能在工業(yè)化生產(chǎn)中得到普及。

早在上世紀(jì)90 年代，國外便開始用發(fā)酵法生產(chǎn)赤蘚糖醇。而在我國，小麥和玉米等淀粉質(zhì)食品是生產(chǎn)赤蘚糖醇的重要原材料，將其經(jīng)過前期的酶降解生成葡萄糖，后經(jīng)酵母發(fā)酵便可將葡萄糖轉(zhuǎn)化為赤蘚糖醇。在工業(yè)化生產(chǎn)方面，赤蘚糖醇的主要生產(chǎn)流程包括數(shù)個步驟，如在淀粉液化到生成葡萄糖之間便多出了糖化這一步驟，而在后續(xù)轉(zhuǎn)化為赤蘚糖醇時則要依次經(jīng)歷生產(chǎn)菌株發(fā)酵、過濾、色譜分離、濃縮、接近等過程。相較于國外赤蘚糖醇的生產(chǎn)工藝水平，我國生產(chǎn)赤蘚糖醇的時間尚短，故與國際間的差距還十分明顯。

生產(chǎn)過程中的諸多問題均對赤蘚糖醇的生產(chǎn)質(zhì)量帶來了較大的影響，如發(fā)酵液中的菌絲體、蛋白等雜質(zhì)含量過高、發(fā)酵得出的糖醇含量過低等。要想制取符合國家高標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，便需要去除發(fā)酵液中的這些雜質(zhì)?；诖耍瑖鴥?nèi)外目前在分離發(fā)酵液中的雜質(zhì)時普遍采用了膜分離技術(shù)，而這種多學(xué)科交叉的產(chǎn)物較傳統(tǒng)分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)更明顯，譬如過程控制更加容易、操作步驟更加方便、便于放大、能與其他技術(shù)相兼容以及節(jié)能高效等。上述優(yōu)點(diǎn)使得該技術(shù)被廣泛運(yùn)用于工業(yè)氣體、水溶液、化學(xué)產(chǎn)品與生化產(chǎn)品的分離與純化之中。除此之外，陶瓷膜過濾在分離流體時還具有“錯流過濾”的特性，即該方式分離流體所依循的原理是讓原料液于膜管內(nèi)高速流動，此時在壓力的驅(qū)使背景下，其澄清滲透液屬于小分子組分，以垂直的方向由內(nèi)向外地穿透膜，而含有大分子組分的渾濁濃縮液則會遭到膜的截留，繼而達(dá)到純化流體的效果。此方法所能達(dá)成的效果不僅比使用板框分離原料液等傳統(tǒng)分離技術(shù)更加優(yōu)秀，且比之傳統(tǒng)工藝也是優(yōu)點(diǎn)眾多，譬如出料穩(wěn)定、濾液質(zhì)量更高、流程短、占地小等，因而最終生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量也能滿足更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 陶瓷膜系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

考察陶瓷膜澄清過濾赤蘚糖醇發(fā)酵液的可行性。

1.2 考察指標(biāo)

操作壓力、溫度、膜通量及其穩(wěn)定性的考察；陶瓷膜過濾后赤蘚糖醇的收率；系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行能力及穩(wěn)定性的考察；膜通量清洗恢復(fù)的考察。

1.3 實(shí)驗(yàn)料液情況

赤蘚糖醇發(fā)酵液：pH 約為3，總糖含量約為16%，總固形物含量約為40%，濕菌體含量約為8%。

1.4 操作條件及膜芯

試驗(yàn)設(shè)備為陶瓷膜中試設(shè)備，試驗(yàn)中控制溫度0～80 ℃，入膜壓強(qiáng)3 bar，出膜壓強(qiáng)2 bar；試驗(yàn)所使用的膜芯為0.1 μm 大通道陶瓷膜膜芯。

1.5 實(shí)驗(yàn)工藝流程

如圖1 所示，將試驗(yàn)發(fā)酵液添加到中間試驗(yàn)循環(huán)料罐中，并檢查所有閥門和開關(guān)是否正常；設(shè)備啟動，當(dāng)泵驅(qū)動設(shè)備運(yùn)行時，小于膜分離孔徑的小分子物質(zhì)在壓力的作用下，穿透過膜表面，被分離開來形成了透過液；而大于膜分離孔徑的大分子物質(zhì)被膜截留，無法穿透過膜表面，從而形成截留液。在實(shí)驗(yàn)過程中定時記錄實(shí)驗(yàn)時間、壓力、溫度、pH 等相關(guān)數(shù)據(jù)，并定時測定過濾速度（計算膜通量）。在操作結(jié)束后排出濃縮液，用清水沖洗系統(tǒng)，隨后加入2%氫氧化鈉溶液清洗，清洗循環(huán)完畢，用清水沖洗至pH呈中性，檢測水通量。

圖1 工藝流程

1.6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

1.6.1 不同壓力對赤蘚糖醇發(fā)酵液澄清過濾通量的影響

本次試驗(yàn)采用100 nm 陶瓷膜過濾赤蘚糖醇發(fā)酵液，進(jìn)料溫度控制在40 ℃，濃縮倍控制在6 倍，試驗(yàn)進(jìn)行過程中考察了不同壓力對膜通量變化的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，膜通量受壓力的影響比較小，壓力變化對陶瓷膜處理赤蘚糖醇發(fā)酵液的通量影響不大。結(jié)果見表1

表1 各批次膜操作參數(shù)（LMH 為m2/h 透析料液量）

1.6.2 不同溫度對赤蘚糖醇發(fā)酵液澄清過濾通量的影響

本次試驗(yàn)采用100 nm 陶瓷膜過濾赤蘚糖醇發(fā)酵液，進(jìn)料壓強(qiáng)控制在2.6 bar，濃縮倍數(shù)控制在6倍，陶瓷膜過濾的膜通量受溫度影響比較大，這符合膜的特性，在高溫時陶瓷膜膜通量比在低溫大得多。

1.6.3 不同濃縮倍數(shù)對赤蘚糖醇發(fā)酵液澄清過濾通量的影響

本次試驗(yàn)采用100 nm 陶瓷膜過濾赤蘚糖醇發(fā)酵液，進(jìn)料壓強(qiáng)控制在2.6 bar，進(jìn)料溫度控制在40℃。在本次試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，陶瓷膜濃縮可以達(dá)到的最大固形物含量約為60%～70%。但是陶瓷膜的濃縮倍數(shù)受到濃縮液固形物含量的限制，當(dāng)濃縮倍數(shù)達(dá)到8 倍時，濃縮液固形物含量達(dá)到80%，料液流動性較差。因此赤蘚糖醇發(fā)酵液濃縮倍數(shù)控制在5～6倍最佳，超過6 倍后料液流動性開始變差，當(dāng)濃縮倍數(shù)超過8 倍時容易堵塞膜芯。

1.6.4 不同加水量對赤蘚糖醇發(fā)酵液澄清過濾收率的影響

本次試驗(yàn)采用100 nm 陶瓷膜過濾赤蘚糖醇發(fā)酵液，進(jìn)料壓強(qiáng)控制在2.6 bar，進(jìn)料溫度控制在40℃，濃縮倍數(shù)為6 倍。本次試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，加水達(dá)到0.4 倍于進(jìn)料液的量時，赤蘚糖醇的收率可以達(dá)到98%以上。因此實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中僅需加水0.4 倍即可。

1.6.5 膜清洗狀況考察

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用清水將系統(tǒng)中的料液沖洗干凈，配置2%氫氧化鈉溶液在常溫下清洗0.5 h，清洗完畢后，用清水將系統(tǒng)沖洗至pH=7。在進(jìn)膜壓強(qiáng)為1.6 bar，出膜壓強(qiáng)為1 bar，溫度為25 ℃條件下，分別測得走料前的初始水通量、走料清洗后的水通量，用于考察膜清洗狀況，各水通量的對比如下圖2。

圖2 膜清洗狀況考察

從使用的初始水通量和使用清洗后的水通量對比中，可以看出赤蘚糖醇發(fā)酵液對陶瓷膜的污染比較小，運(yùn)行完成后直接用2%氫氧化鈉清洗0.5 h 陶瓷膜即可以恢復(fù)到使用前的水平。

2 試驗(yàn)結(jié)論

本次試驗(yàn)的結(jié)論如下：

通過以上數(shù)據(jù)圖表的對比，陶瓷膜設(shè)備運(yùn)行的主要影響因素為運(yùn)行溫度、運(yùn)行濃縮倍數(shù)與洗水量的大小。

運(yùn)行溫度越高，陶瓷膜運(yùn)行平均通量越高，設(shè)備整體處理速度加快。運(yùn)行濃縮倍數(shù)越高，陶瓷膜運(yùn)行平均通量越低，設(shè)備整體處理速度變慢。相同濃縮倍數(shù)下，加水量越大，赤蘚糖醇洗脫效果越好，收率越高。