食品加工論文範文壹：泡沫分離技術在食品工業中的應用
泡沫分離又稱泡沫吸附分離技術，是根據各組分之間表面活性的差異，以氣泡為介質，從而達到分離或濃縮目的的壹種分離方法[1]。20 世紀初，泡沫分離技術首先應用於礦物浮選，後來又應用於工業廢水中表面活性劑的回收。直到 20 世紀 70 年代，人們開始將泡沫分離技術應用於蛋白質和酶的分離與提取[2-3]。如今，泡沫分離技術已被應用於食品工業中蛋白質和酶、糖和皂苷的分離與提取。由於大多數食品原料都具有發泡特性，泡沫分離技術在食品工業中的應用將越來越廣泛。
1 泡沫分離原理及特點
1.1 泡沫分離原理
泡沫分離技術是以表面吸附原理為基礎，根據液相中溶質或顆粒間表面活性的差異進行分離的。表面活性物質首先吸附在分散相與連續相的界面上，通過鼓泡形成泡沫層，使泡沫層與液相主體分離，表面活性物質在泡沫層中濃縮，從而實現溶質的濃縮或液相主體的凈化。
1.2 泡沫分離技術的特點
1.2.1 優點
(1)與傳統的稀釋濃縮產物分離方法相比，泡沫分離技術操作簡單，易於操作，更適合稀釋濃縮產物的分離。(2）泡沫分離技術分辨率高，對於組分間表面活性差異較大的物料，采用泡沫分離技術分離可獲得較高的富集比。(3）泡沫分離技術不需要大量的有機溶劑洗脫液和萃取液，成本低，環境汙染小，有利於工業生產。
1.2.2 缺點
表面活性物質多為高分子化合物，消化量大，同時難以回收。另外，表面活性物質在溶液中的濃度不易控制，泡沫塔中的再混合現象也會影響分離效果[4]。
2 泡沫分離技術在食品工業中的應用
2.1 蛋白質分離
在分離蛋白質的過程中，蛋白質表面活性差異小，吸附效果受氣液界面吸附結構的影響，因此蛋白質表面活性的強弱是考察泡沫分離效果的主要指標。譚祥偉等[5]研究了牛血清蛋白和酪蛋白在氣液界面的吸附情況，發現酪蛋白對牛血清蛋白在氣液界面的吸附有顯著影響。此後，Hossain 等人[6] 利用泡沫分離技術分離並富集了 β-乳球蛋白和牛血清蛋白，結果發現 β-乳球蛋白的含量為 96%，牛血清蛋白的含量為 83%。Brown 等人[7] 利用連續泡沫分離技術從混合溶液中分離出牛血清蛋白和酪蛋白，結果表明酪蛋白的回收率非常高，而大部分牛血清蛋白仍留在溶液中。Saleh 等人[8]利用泡沫分離技術研究了從乳鐵蛋白、牛血清蛋白和α-乳白蛋白三種蛋白質的混合物中分離乳鐵蛋白轉移蛋白的方法。通過在牛血清蛋白和α-乳白蛋白的混合物中加入不同濃度的乳鐵蛋白，並不斷改變氣體速度，優化了最佳工藝條件。結果表明，在最佳工藝條件下，87%的乳鐵蛋白轉移蛋白留在溶液中，98%的牛血清蛋白和 91%的α-乳白蛋白存在於泡沫夾帶溶液中。由此可見，利用泡沫分離法可以有效地從三種蛋白質的混合物中分離出乳鐵蛋白轉移蛋白。Liu 等[10] 在最佳工藝條件下從工業大豆廢水中濃縮富集大豆蛋白：溫度 50 ℃，pH 5.Li等[11]為了提高泡沫的含水率，開發了壹種新型的泡沫分離塔，采用金屬絲網進行整體填料，並利用金屬絲網整體填料塔泡沫分離法分離牛血清蛋白。以牛血清蛋白水溶液為參照物，研究了填料在不同條件下對氣泡大小、持液量、富集比和有效收集率的影響，評估了填料的作用。結果表明，填料加速了氣泡破裂，降低了持液能力，增加了泡沫水沈澱和牛血清蛋白的富集率。結果表明，在液體體積為 490 mL、空氣流速為 300 mL?min-1 、牛血清蛋白初始濃度為 0.10 g?L-1 、填料床高度為 300 mm 和初始 pH 值為 6.2 的條件下，最佳牛血清蛋白富集比為 21.78，是對照塔的 2.44 倍。劉海斌等[12]以桑葉為原料，采用泡沫分離法分離桑葉蛋白，分析了影響分離效果的主要因素，結果測得桑葉蛋白的回收率為92.50%，富集比為7.63。可見，利用泡沫分離桑葉可獲得較高含量的桑葉蛋白。與傳統的酸（堿）熱法、有機溶劑法等葉片蛋白質分離方法相比[13-14]，泡沫分離法具有良好的分離效果，避免了加熱引起的蛋白質變性，減少了有機溶劑對環境的汙染。李宣玲等[15]以亞麻蛋白濃度、NaCl濃度、原料液pH值和裝填量為主要考察因素，采用響應面法優化了從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，亞麻蛋白的損失率為 95.8%，而多糖的損失率僅為 6.7%。可見，利用泡沫分離技術可以有效地從未脫膠的亞麻餅粕中分離出亞麻蛋白。
2.2 酶的分離
蛋白質屬於生物表面活性劑，包括極性基團和非極性基團，在溶液中可選擇性地吸附在氣液界面上。Linke等[16]研究了發酵液中細胞外脂肪酶的泡沫分離，考察了通氣時間、pH值和氣速等主要因素對回收率的影響，認為當通氣時間為50 min、pH值為7.0、氣速為60 mL/min時，酶蛋白回收率為95%。Mohan 等人[17] 從啤酒中的泡沫分離回收酵母和麥芽等，結果表明分離酵母和麥芽所需的時間不同，低濃度時更容易富集。Holmstr[18] 從低濃度溶液的泡沫中分離澱粉酶，發現通過等電點鼓泡，泡沫夾帶液的澱粉酶活性比原液高 4 倍。Lambert等[ 19] 利用泡沫分離技術研究了β-葡萄糖苷酶的pH值與表面張力之間的關系，結果表明纖維二糖苷酶和纖維素酶的最佳發泡pH值分別為10.5和6~9。Brown等[7]利用泡沫分離技術分別研究了牛血清蛋白與溶菌酶以及酪蛋白與溶菌酶混合體系的分離純化。結果表明，無論是溶菌酶與牛血清蛋白混合還是與酪蛋白混合，溶菌酶的回收率都很低，但由於溶菌酶能提高泡沫的穩定性，因此溶菌酶與牛血清蛋白混合後的回收率有所提高。Samita 等人[20] 分別研究了牛血清蛋白與酪蛋白和牛血清蛋白與溶菌酶的二元體系。蛋白質二元體系中，酪蛋白在氣液界面的吸附量占了氣液界面的大部分，從而阻止了牛血清蛋白在氣液界面的吸附。相反，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，同時改善了泡沫的穩定性。針對這壹現象，Noble 等人[21]也采用泡沫分離法對牛血清蛋白與溶菌酶的二元體系進行了分離，發現泡沫夾帶液中含有少量的溶菌酶可以提高泡沫的穩定性，牛血清蛋白溶液在低濃度時不能產生穩定的泡沫，但溶菌酶的存在使其可以產生穩定的泡沫。這些研究表明，泡沫分離技術可用於分離低濃度下具有表面活性的蛋白質，這為泡沫分離技術在蛋白質分離中的應用開辟了新的領域。國內已將泡沫分離技術應用於酶的分離，範明等[22]設計了壹種泡沫分離裝置，利用泡沫分離技術將脂肪酶模擬溶液與實際生產生物柴油的水相脂肪酶溶液分離，回收並富集了水相脂肪酶。考察了水相脂肪酶溶液中曝氣速率、進料酶濃度和pH值等主要因素對分離效果的影響，當曝氣速率為10 L/(LH)、進料酶濃度為0.2 g/L、pH值為7.0時，蛋白質和酶活性的回收率接近100%，富集比為3.結果表明，初始脂肪酶濃度對富集比、蛋白質和酶活性回收率有顯著影響，pH 值對富集比、蛋白質和酶活性回收率無顯著影響，而氣速是影響蛋白質回收率的重要因素。在回收水相脂肪酶的過程中，酶活性沒有損失。由此可見，泡沫分離是回收液體脂肪酶的有效方法[22]。
2.3 糖類的分離
糖類壹般存在於植物和微生物中，可以根據糖類和蛋白質或其他物質表面活性的差異性，利用泡沫分離技術進行分離提取[23]。Fu 等人[24] 采用離心法分離提取基隆生產的甘薯塊中的可溶性糖和蛋白質，得到的回收率分別為 4.8% 和 33.8%；而采用泡沫分離法，可溶性糖和蛋白質的回收率分別為 98.8% 和 74.1%。Sarachat 等人[25]使用泡沫分離法富集銅綠假單胞菌產生的鼠李糖脂，在最佳工藝條件下，富集比為 4 時，鼠李糖脂的回收率為 97%。_____Continental [26]利用間歇泡沫分離法從豬苓多糖中分離出豬苓水提取物，考察了pH值、原料液濃度、空氣流速、表面活性劑用量和浮選時間等主要因素對分離效果的影響，以回收率評價分離效果，並優化了豬苓多糖分離的工藝條件。在最佳工藝條件下，牛肝菌多糖的回收率為 83.1%。我國食用菌多糖的提取壹般采用水醇解法，但該方法需要消耗大量乙醇，操作周期長，能耗高[27-28]，而泡沫分離法具有分離迅速、設備簡單、可連續操作、不需要高溫高壓、適合低濃度組分的分離等優點，因此間歇泡沫分離法是提取食用菌多糖的有效方法。
2.4 皂苷的分離
皂苷含有親水性糖類和疏水性皂苷，具有良好的發泡特性，是壹種優良的天然非離子表面活性成分，因此泡沫分離法可用於從天然植物中分離皂苷[29]。泡沫分離法已廣泛應用於大豆異黃酮苷、人參皂苷、皂苷元、竹節人參皂苷、蓧麥果皮皂苷等活性成分的分離。
2.4.1 大豆異黃酮苷的分離 劉曉東等[10]
采用泡沫分離法和酸解法從大豆乳清廢水中分離出大豆異黃酮苷、傅立葉變換紅外光譜分析發現大豆異黃酮與大豆蛋白以絡合物的形式存在。利用傅立葉變換紅外光譜發現大豆異黃酮和大豆蛋白以復合物的形式存在。結果表明，利用泡沫分離技術分離大豆異黃酮苷和 β-苷，可以有效地從大豆乳清廢水中富集大豆異黃酮。
2.4.2 無患子總皂苷的分離 魏鳳玉等[30]
分別采用間歇式和連續式泡沫分離法分離純化無患子皂苷，利用正交試驗研究了原料濃度、氣體流速、溫度和 pH 值對無患子皂苷回收率的影響，確定了泡沫分離工藝的最佳條件。林青霞等[31]采用泡沫分離法純化無患子皂苷，用紫外分光光度計測定了無患子皂苷的含量，並通過富集比、純度和回收率判斷了分離純化的效果。在進樣濃度為 2.0 g/L、進樣量為 150 mL、氣流速度為 32 L/h、溫度為 30 ℃、pH 值為 4.3 的條件下，富集比為 2.153，純度和回收率分別為 74.68%和 79.19%。結果表明：無患子苷元的回收率隨進料濃度的增加而降低，隨氣速和進料體積的增加而升高；富集比隨進料濃度、氣速和進料體積的增加而降低，pH 值對富集比的影響較小；純度隨進料濃度和氣速的增加而降低，進料體積和 pH 值對純度的影響較小。
2.4.3 人參總皂苷的分離
人參的主要成分皂苷是壹種優良的天然表面活性劑，而人參多糖、無機鹽和氨基酸是人參的主要成分、而人參中的多糖、無機鹽和氨基酸是非表面活性劑，因此可以根據表面活性的差異，采用泡沫分離技術分離純化人參皂苷[32-34]。張海濱等[35]研究了泡沫大小、pH 值、原料液溫度和電解質物質的量濃度等主要因素對泡沫分離人參總皂苷的影響，並以富集比、純度比和回收率等指標分析了分離純化效果、在最佳工藝條件下，總皂苷的富集比為 2.1，純度比為 2.6，回收率為 98.33%，分離效果較好。張長城等[36]研究了泡沫分離技術分離純化太子參皂苷的方法和條件，指出泡沫分離技術分離純化太子參皂苷具有產品回收率高、工藝簡單、能耗低、不使用有機溶劑等優點，為太子參皂苷的開發利用提供了技術支持。
2.4.4 從鴉膽子果皮中分離皂苷
鴉膽子是壹種優質食用油，含油率高達 35%-40% [37]，可作為生物柴油的原料。枳殼果皮含皂苷 1.5%~2.4% 。研究表明，枳實皂苷具有抗腫瘤、抗氧化和抗疲勞作用 [38]。開發利用蓧麥皂苷可以有效降低生物柴油的生產成本。在生物柴油的生產過程中，需要處理大量的果皮，因此需要找到壹種簡單可行、成本低、產量高、環境汙染小的皂素分離方法。Wu 等人[39] 利用自制的發泡裝置研究了從蓧麥果皮中分離總皂苷的可行性和最佳反應條件。泡沫分離枳殼皂苷的最佳工藝條件為：氣體流速 2.5 L?min-1，初始濃度 2 mg?mL-1，溫度 20 ℃，pH 值 5。與人參和三七泡沫分離的氣體流速相比，藜蘆果皮的氣體流速較低，可以最大限度地降低能耗，節約成本。同時，從枳實皮中泡沫分離皂苷可以在室溫下進行，從而減少了加熱所需的能耗。此外，由於枳殼皂苷水溶液的 pH 值在 5 左右，因此在泡沫分離過程中無需調節 pH 值。在最佳工藝條件下，富集比為 3.05，回收率為 60.02%，純度為 63.35%。研究表明，泡沫分離枳殼皂苷能獲得較高的富集比、回收率和純度，對生物能源的開發利用、枳殼的綜合利用以及降低生物柴油的成本具有重要意義。
3 發展前景
泡沫分離技術是壹種前景廣闊的新型分離技術，在食品工業中的應用將越來越廣泛，今後在天然產物和稀有物質的分離提取方面有更廣泛的應用。同時，泡沫分離技術也存在壹定的局限性，為促進泡沫分離技術在食品工業中的發展，應在以下幾個方面開展深入研究：（1）泡沫分離復雜物質在實際分離過程中泡沫的形成建立理論模型，為分離提取標準表面活性劑和非表面活性物質建立標準化數據庫，為分離提取標準表面活性劑和非表面活性物質建立指紋圖譜；（2）如何減少非表面活性物質泡沫分離中表面活性劑的消耗；（3）如何解決高濃度產品泡沫分離中回收率低的問題；（4）目前的泡沫分離設備存在局限性，應研究開發新型的適合食品工業分離的泡沫分離設備，提高泡沫分離的效果[40]。
食品加工論文範文2：食品工業廢水處理節能研究
食品工業包括制糖、釀造、肉類、乳品加工等。食品工業的廢水主要來源於原料的處理、洗滌、脫水、過濾、脫酸、脫臭和蒸煮等過程，其中含有大量的有機物，這些廢水中含有大量的有機物、蛋白質、有機酸和碳水化合物，具有很強的耗氧量，如果不經處理直接排入水體會大量消耗水中的溶解氧，造成水體缺氧，導致水生生物死亡。食品行業廢水油脂含量較高，伴隨著大量的懸浮物隨廢水排出，其中動物性食品加工廢水中還可能含有細菌，此外，這些廢水中還含有銅、錳、鉻等金屬離子。近年來，隨著食品加工行業的快速發展，每年產生的廢水量也呈現出快速增長的態勢，很多廢水未經有效處理就直接排放，對環境產生了非常嚴重的破壞。因此，探討食品工業廢水處理對於生態環境保護具有重要的現實意義。
1 食品工業汙水處理工藝現狀
目前，國內外食品工業汙水處理工藝主要采用的是生物處理工藝，其中主要包括好氧生物處理工藝、厭氧生物處理工藝以及好氧生物處理工藝和厭氧生物處理工藝相結合的處理工藝。就好氧生物處理工藝而言，主要有活性汙泥法（目前主要廣泛采用的 SBR 法）和生物膜法（具有代表性的曝氣生物濾池法）。由於厭氧生物處理工藝相比好氧生物處理工藝無論在後期運行管理成本還是前期基建投資成本上都有較大優勢，其中較為典型的處理工藝有厭氧顆粒汙泥膨脹床（EGSB）工藝、第三代厭氧處理工藝--厭氧內循環反應器（AIRR）。第三代厭氧處理工藝--厭氧內循環反應器（IC）被廣泛應用於食品工業汙水處理。此外，厭氧生物處理工藝在處理食品工業廢水方面具有良好的處理效果[1]。
2 各種工藝特點及應用效果分析
目前，國內外食品工業廢水的處理以生物處理為主[2]。在實踐中廣泛應用，較為成熟的技術主要有厭氧接觸法、厭氧汙泥床法、淺層曝氣法、延遲曝氣法、曝氣沈澱池法等。
2.1 好氧生物處理工藝
好氧生物處理是在不斷供氧的環境中，利用好氧微生物氧化有機物。在好氧過程中，微生物分解復雜的有機物，壹部分轉化為穩定的無機物 CO2、H2O 和 NH3，壹部分由微生物合成新的細胞，最後將有機物從廢水中去除。
2.1.1 SBR 法，即間歇式活性汙泥法（又稱序批式間歇活性汙泥法）。SBR法是目前國內外應用較為廣泛的壹種方法，生物反應池集中了生物降解過程、沈澱過程和汙泥回流功能為壹體，這種工藝流程比較簡單，它是在以往間歇式活性汙泥法的基礎上發展起來的壹種新工藝，采用SBR法處理廢水。SBR法處理廢水的運行過程壹般包括進水、充氧曝氣、靜置沈澱、排水和汙泥排放五個步驟。與連續式活性汙泥法相比，該工藝主要有以下幾點：曝氣池具有二次沈澱池的功能，沒有二次沈澱池，也就沒有汙泥回流設備，系統結構簡單，易於管理；抗沖擊負荷能力強，壹般無需設置調節池；反應推動力大，易於獲得優質出水水質；汙泥沈降性能好，SVI較低，易於自控運行，後期維護管理也比較簡單。後期維護管理也比較簡單。鞠華[3]通過對SBR法在醬油、醬類食品廢水處理中的應用研究，原廢水CODcr在2000mg/L～4000mg/L範圍內，經SBR法處理後出水水質得到二級標準，去除率達到96%以上，不存在汙泥膨脹現象，且運行管理方便，占地面積小，運行成本低。
2.1.2 BAF 法，即曝氣生物濾池法。該工藝可追溯到上世紀80年代，被歐美等國家應用和發展，大連馬頰河汙水處理廠是我國第壹家采用BAF工藝的汙水處理廠。該工藝以生物接觸過程為基礎，在濾池中填充陶粒、石英砂等顆粒狀填料，以填料及其附著的生產生物膜為介質，發揮生物的代謝作用，通過物理過濾作用發揮膜和填料的截留和吸附作用，從而實現汙染物的高效處理。廖燕[4]等采用混凝-ABR和曝氣生物濾池（BAF）聯合處理工藝，對某市肉聯廠高濃度廢水化學需氧量和氨氮的去除研究發現，化學需氧量和氨氮的去除效果從原水1500mg/L～4500mg/L、30mg/L～85mg/L時，處理後出水COD<；100mg/L，氨氮<50mg/L，達到國家壹、二級排放標準，取得了良好的環境效益和社會效益。
2.1.3 MBR 法，膜生物反應器法。它是上世紀九十年代逐步發展起來的壹種汙水處理技術，其工藝是用膜組件代替傳統的二沈池，實現固相和液相的分離。其實質是將細菌和微生物以生物膜的形式附著在固體表面，以汙水中的有機物為營養物質進行新陳代謝和生長繁殖，從而達到凈化汙水的效果。該工藝抗沖擊能力強，對水質水量變化適應性強；汙泥產量低，沈降性能優越，易於固液分離；對於低濃度汙水也可處理，正常運行時可將原水中的BOD5從20mg/L～30mg/L降至5mg/L～10mg/L；運行成本不太高，且易於管理。張良平、王峰[5]以MBR在湖北某食品廠廢水處理中的應用為例研究發現，采用MBR-活性炭-殺菌的組合工藝，出水COD和BOD的去除率達到99%以上，系統工藝能耗低，運行穩定。
2.2 厭氧生物處理工藝
在食品廢水處理過程中，厭氧處理法與好氧處理法相比由於汙泥產生量少，動力流量消耗小，易於管理，既節能又降低成本，逐漸在高濃度有機廢水行業---食品行業廣受推崇。-食品行業廣受推崇。
2.2.1 UASB 法，即上流式厭氧汙泥床法。這種工藝是由高活性厭氧菌組成顆粒汙泥，在 UASB 裝置中隨著氣流的上升呈上升流動狀態。它具有處理效率高、性能可靠、能耗低、不需要填料和載體、運行成本低等優點。它可以處理高負荷的廢水，而且沒有堵塞等優點。它也是應用最廣泛的高速汙泥床工藝。它也是目前應用最廣泛的高速反應器之壹。王偉，何浩琪[6]研究發現，食品廢水經UASB+接觸氧化工藝處置後，CODcr、BOD5、SS、植物油分別由原水濃度1170mg/L、570mg/L、600mg/L、150mg/L，處置效果分別為60.2mg/L、15.5mg/L、40mg/L、3mg/L。出水水質達到了《汙水綜合排放標準》中的壹級標準，而且該項目的經濟運行效果也較好，總運行費用約為0.54元/m3，該工藝占地面積小，處理費用低，運行方式靈活，值得推廣。
2.2.2 EGSB 反應器，即膨脹顆粒汙泥床反應器。該工藝是在 UASB 的基礎上發展起來的壹種新型厭氧工藝，與 UASB 工藝相比，EGSB 增加了出水的回流，提高了反應器內的水流速度，可達 5m/h～10m/h ，比 UASB 的 0.6m/h～0.9m/h 提高了近 10 倍。李克勛[7]等人以天津某澱粉廠采用 EGSB 處理澱粉廢水為例，EGSB 厭氧反應器對 COD 的去除率在 85% 以上，出水水質達到國家壹級排放標準，去除大量有機物，降低了後續單元的處理壓力，此外，利用厭氧反應器的介入產生的沼氣作為能源進行二次利用，降低了運行成本（總運行成本為 0.73 元/m3?d)，具有良好的環境效益和社會效益。
2.2.3 ASBR 法，即厭氧序時批次活性汙泥法。ASBR厭氧序批式活性汙泥法最早誕生於20世紀90年代的美國，是在SBR的基礎上發展起來的，該工藝的特點是序批式間歇運行，按照進水、反應、沈澱和排水四個步驟的順序進行，與連續流厭氧反應器相比，該工藝不需要要求大阻力的配水系統。與連續流厭氧反應器相比，該工藝不需要阻力較大的配水系統，因此大大降低了系統能耗，且不會產生斷流和短流，運行靈活，抗擊打能力強，在實現厭氧功能的同時，還兼具了SBR的優點。
3 厭氧生物處理工藝優勢分析
與好氧生物處理工藝相比，在食品工業汙水處理中，厭氧生物處理工藝具有很多優勢：該工藝運行過程中剩余汙泥量極少，由於不需要額外的氧源而降低了運行管理成本；食品工業廢水中有機物濃度較高，而厭氧生物處理工藝對高濃度有機物的沖擊負荷具有良好的抵抗能力，同時也對高濃度有機物的沖擊負荷具有良好的抵抗能力。食品工業廢水中有機物濃度高，而厭氧生物處理工藝具有良好的抗高濃度有機物沖擊負荷力的優勢，可以做到間接排放；另外，厭氧生物處理工藝可以產生沼氣，實現資源的二次利用，真正實現變廢為寶，降低能耗，因此厭氧處理工藝是食品工業廢水處理中的壹種節能型廢水處理工藝。作為壹種能耗低且能產生二次能源的厭氧生物處理工藝必將成為食品工業汙水處理的主流方向[8]。