陶瓷膜系統在赤蘚糖醇發酵液提取應用研究

張林華

三達膜科技（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[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味的效果[4-5]。因此，赤蘚糖醇自然也成為國內外在研究新型甜味劑方面的一大熱點。

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

早在上世紀90 年代，國外便開始用發酵法生產赤蘚糖醇。而在我國，小麥和玉米等淀粉質食品是生產赤蘚糖醇的重要原材料，將其經過前期的酶降解生成葡萄糖，后經酵母發酵便可將葡萄糖轉化為赤蘚糖醇。在工業化生產方面，赤蘚糖醇的主要生產流程包括數個步驟，如在淀粉液化到生成葡萄糖之間便多出了糖化這一步驟，而在后續轉化為赤蘚糖醇時則要依次經歷生產菌株發酵、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工藝水平，我國生產赤蘚糖醇的時間尚短，故與國際間的差距還十分明顯。

生產過程中的諸多問題均對赤蘚糖醇的生產質量帶來了較大的影響，如發酵液中的菌絲體、蛋白等雜質含量過高、發酵得出的糖醇含量過低等。要想制取符合國家高標準的產品，便需要去除發酵液中的這些雜質。基于此，國內外目前在分離發酵液中的雜質時普遍采用了膜分離技術，而這種多學科交叉的產物較傳統分離技術的優點更明顯，譬如過程控制更加容易、操作步驟更加方便、便于放大、能與其他技術相兼容以及節能高效等。上述優點使得該技術被廣泛運用于工業氣體、水溶液、化學產品與生化產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高速流動，此時在壓力的驅使背景下，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，繼而達到純化流體的效果。此方法所能達成的效果不僅比使用板框分離原料液等傳統分離技術更加優秀，且比之傳統工藝也是優點眾多，譬如出料穩定、濾液質量更高、流程短、占地小等，因而最終生產的產品質量也能滿足更高標準的要求。

1 陶瓷膜系統實驗

1.1 實驗目的

考察陶瓷膜澄清過濾赤蘚糖醇發酵液的可行性。

1.2 考察指標

操作壓力、溫度、膜通量及其穩定性的考察；陶瓷膜過濾后赤蘚糖醇的收率；系統連續運行能力及穩定性的考察；膜通量清洗恢復的考察。

1.3 實驗料液情況

赤蘚糖醇發酵液：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

試驗設備為陶瓷膜中試設備，試驗中控制溫度0～80 ℃，入膜壓強3 bar，出膜壓強2 bar；試驗所使用的膜芯為0.1 μm 大通道陶瓷膜膜芯。

1.5 實驗工藝流程

如圖1 所示，將試驗發酵液添加到中間試驗循環料罐中，并檢查所有閥門和開關是否正常；設備啟動，當泵驅動設備運行時，小于膜分離孔徑的小分子物質在壓力的作用下，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被膜截留，無法穿透過膜表面，從而形成截留液。在實驗過程中定時記錄實驗時間、壓力、溫度、pH 等相關數據，并定時測定過濾速度（計算膜通量）。在操作結束后排出濃縮液，用清水沖洗系統，隨后加入2%氫氧化鈉溶液清洗，清洗循環完畢，用清水沖洗至pH呈中性，檢測水通量。

圖1 工藝流程

1.6 實驗數據及結果分析

1.6.1 不同壓力對赤蘚糖醇發酵液澄清過濾通量的影響

本次試驗采用100 nm 陶瓷膜過濾赤蘚糖醇發酵液，進料溫度控制在40 ℃，濃縮倍控制在6 倍，試驗進行過程中考察了不同壓力對膜通量變化的影響。從實驗結果上看，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酵液的通量影響不大。結果見表1

表1 各批次膜操作參數（LMH 為m2/h 透析料液量）

1.6.2 不同溫度對赤蘚糖醇發酵液澄清過濾通量的影響

本次試驗采用100 nm 陶瓷膜過濾赤蘚糖醇發酵液，進料壓強控制在2.6 bar，濃縮倍數控制在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 不同濃縮倍數對赤蘚糖醇發酵液澄清過濾通量的影響

本次試驗采用100 nm 陶瓷膜過濾赤蘚糖醇發酵液，進料壓強控制在2.6 bar，進料溫度控制在40℃。在本次試驗過程中發現，陶瓷膜濃縮可以達到的最大固形物含量約為60%～70%。但是陶瓷膜的濃縮倍數受到濃縮液固形物含量的限制，當濃縮倍數達到8 倍時，濃縮液固形物含量達到80%，料液流動性較差。因此赤蘚糖醇發酵液濃縮倍數控制在5～6倍最佳，超過6 倍后料液流動性開始變差，當濃縮倍數超過8 倍時容易堵塞膜芯。

1.6.4 不同加水量對赤蘚糖醇發酵液澄清過濾收率的影響

本次試驗采用100 nm 陶瓷膜過濾赤蘚糖醇發酵液，進料壓強控制在2.6 bar，進料溫度控制在40℃，濃縮倍數為6 倍。本次試驗過程中發現，加水達到0.4 倍于進料液的量時，赤蘚糖醇的收率可以達到98%以上。因此實際工業生產中僅需加水0.4 倍即可。

1.6.5 膜清洗狀況考察

實驗結束后，用清水將系統中的料液沖洗干凈，配置2%氫氧化鈉溶液在常溫下清洗0.5 h，清洗完畢后，用清水將系統沖洗至pH=7。在進膜壓強為1.6 bar，出膜壓強為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酵液對陶瓷膜的污染比較小，運行完成后直接用2%氫氧化鈉清洗0.5 h 陶瓷膜即可以恢復到使用前的水平。

2 試驗結論

本次試驗的結論如下：

通過以上數據圖表的對比，陶瓷膜設備運行的主要影響因素為運行溫度、運行濃縮倍數與洗水量的大小。

運行溫度越高，陶瓷膜運行平均通量越高，設備整體處理速度加快。運行濃縮倍數越高，陶瓷膜運行平均通量越低，設備整體處理速度變慢。相同濃縮倍數下，加水量越大，赤蘚糖醇洗脫效果越好，收率越高。