淺析雙極膜在食品工業(yè)領(lǐng)域中的應用

張雯雯+++王艷曉+++許明先

摘 要：雙極膜應用作為食品工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展過程的重中之重，是一個必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到食品加工生產(chǎn)的環(huán)保節(jié)能性，能夠保障企業(yè)在最低成本下創(chuàng)造出最大的經(jīng)濟效益。因此，食品工業(yè)企業(yè)要高效發(fā)揮出雙極膜的作用，充分利用水解離、電滲析等先進工業(yè)技術(shù)，推動食品工業(yè)領(lǐng)域穩(wěn)定持續(xù)的發(fā)展，實現(xiàn)社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境的共同進步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：雙極膜；食品工業(yè)；實踐應用

引言

雙極膜作為一種新型離子交換復合膜，它的構(gòu)成主要包括了陽離子交換層（N型膜）以及陰離子交換層（P型膜），其具備了能耗低、易操作、選擇性良好以及模式化設計等特征，被廣泛地應用在食品工業(yè)加工生產(chǎn)中，能夠有效幫助食品化工企業(yè)技術(shù)人員解決更多的產(chǎn)品加工難題?；谥绷麟妶鲎饔孟?，雙極膜能夠有效將水進行離解，從而在膜兩側(cè)獲取到陽離子H+和陰離子OH-。企業(yè)技術(shù)人員通過充分利用該特點，能夠組建起科學的雙極膜電滲析系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)應用在各種產(chǎn)品加工作業(yè)中，促使企業(yè)降低產(chǎn)品加工過程的能源損耗，為工業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)造出更多的社會價值和環(huán)境效益。

1 雙極膜的概述

1.1 雙極膜水解離與電滲析原理。

Frilette在實踐實驗中最早發(fā)現(xiàn)了陰、陽離子交換膜中的水解離現(xiàn)象。該化學現(xiàn)象的具體結(jié)果會促使電滲析膜面上產(chǎn)生鈣鎂垢，同時還會在溶液中發(fā)生中性擾亂現(xiàn)象。在雙極膜水解離過程中，離子膜兩側(cè)能夠直接獲得H+和OH-，這樣技術(shù)人員就可以將鹽成功生成相對應的酸和堿。就如下圖1所示，在雙極膜上發(fā)生水解離反應[1]。

技術(shù)人員通過合理應用雙極膜水解離與電滲析原理，能夠確保在不融入新物質(zhì)的前提下，有效將水溶液中的鹽轉(zhuǎn)化成需要的酸和堿。所以，雙極膜被廣泛地應用在食品工業(yè)領(lǐng)域中。

1.2 雙極膜的納濾特性

雙極膜之所以具備納濾特性，是因為在雙極膜中存在大小不一的孔徑，同時在陰、陽膜上攜帶著不同的電荷，這樣就能夠促使雙極膜具有“荷電效應”以及“篩分效應”。如果雙極膜左右兩側(cè)的分離推動力是壓力差時，那么雙極膜就會像其他荷電膜一樣截取水中粒徑為納米級的顆粒物，從而有效實現(xiàn)介于超濾與反滲透之間的實踐操作。

納濾膜應用最為明顯的優(yōu)勢在于操作簡單、選擇性良好以及通量高，對離子形式的鹽和有機分子有著超強的去除能力，企業(yè)無需投入更多的資金成本，因此，被更多的行業(yè)領(lǐng)域所看好。

2 雙極膜在食品工業(yè)領(lǐng)域中的實踐應用

2.1 大豆分離蛋白的沉淀分離

食品加工企業(yè)技術(shù)人員通過利用雙極膜電酸化原理，能夠有效促使大豆蛋白沉淀分離。將大豆蛋白質(zhì)溶液循環(huán)流經(jīng)于雙極膜的兩側(cè)，在水解離現(xiàn)象發(fā)生后，生成的H+會融入到蛋白質(zhì)溶液中，從而有效降低溶液pH達到等電點，這樣就會造成蛋白質(zhì)選擇性分離，然后經(jīng)離心沉淀。相關(guān)工作人員在經(jīng)過對其水洗沉淀除鹽后，通過科學應用雙極膜陰離子膜側(cè)水解離產(chǎn)生的NaOH溶解[3]，又或者是蛋白質(zhì)溶液在陽離子膜側(cè)電酸化的同時，此沉淀于雙極膜不同側(cè)循環(huán)而被成功溶解中和。加工技術(shù)人員只需要將蛋白質(zhì)鹽溶液進行噴霧干燥操作，就能夠完成分離蛋白質(zhì)的工作。在現(xiàn)代雙極膜電酸化法分蛋白制作中，工作人員無需在過程中加入額外的酸和堿，在現(xiàn)場水解離中就能夠合理控制得到酸和堿，這樣能夠確保制取的蛋白質(zhì)不易變形，最大化利用好酸和堿的作用，降低了企業(yè)水資源的損耗[2]。

2.2 回收大豆豆腐乳清中鎂和蛋白質(zhì)

在社會大眾生活中，人們經(jīng)常吃到的大豆豆腐乳清中含有了大量的蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、凝結(jié)劑以及糖類物質(zhì)。Bazinet等人最早通過應用先普通離子交換膜電滲析再雙極膜電滲析酸化的手段去有效回收豆腐乳清中的蛋白質(zhì)和Mg2+，這樣能夠最大化降低企業(yè)加工成本費用，并且有效提高產(chǎn)品的數(shù)量。在大豆豆腐乳清中鎂和蛋白質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)分別為3.2%和18.7%，pH大致在5.3-5.6范圍內(nèi)[4]。研究人員通過使用離子交換膜和10張陰離子交換膜成功構(gòu)成22隔室結(jié)構(gòu)，在實驗中所使用的雙極膜電滲析酸化池的有效電極面積為1dm2，7隔室結(jié)構(gòu)的組成則主要包括了1張陰離子交換膜、3張陽離子交換膜以及2張雙極膜，然后將其放置于1A電流環(huán)境下一般電滲析60分鐘，接著又在1A電流下雙極膜電酸化60分鐘，就能夠有效回收10L大豆豆腐乳清中的34.7%蛋白質(zhì)和65%的鎂。

2.3 蘋果汁的提取生產(chǎn)

為了滿足大眾對于高品質(zhì)蘋果汁產(chǎn)品的需求，食品加工企業(yè)要加強對蘋果汁的高效生產(chǎn)作業(yè)，采用先進的生產(chǎn)技術(shù)，從而保障蘋果汁的口感和顏色。為了確保蘋果汁的原汁原味，加工生產(chǎn)企業(yè)可以通過加入NaOH把pH值合理控制在3.15。此外，為了避免果汁變成褐色，生產(chǎn)技術(shù)人員可以通過加入鹽酸將pH值降低至2.1，這樣就可以不可逆的抑制多酚氧化酶的活性。該種方法雖然可以成功抑制蘋果汁不會變成褐色，保障其穩(wěn)定性，然而加入的酸堿物質(zhì)會導致蘋果汁稀釋，影響到人們的口感。隨著雙極膜在食品工業(yè)領(lǐng)域的大力推廣應用，人們發(fā)現(xiàn)雙極膜電滲析法生產(chǎn)出的蘋果汁，不僅僅具有良好的穩(wěn)定性和顏值，還保證了其不錯的口感，受到了眾多消費者的青睞。由于在雙極膜的陽離子膜層會產(chǎn)生H+，促使蘋果汁在陽膜外循壞，從而將其pH值從3.15有效降至到2.1；酸化后，蘋果汁又會在陰膜外進行循壞，并與陰離子OH-相接觸，從而又使蘋果汁pH值回到3.15。

3 結(jié)束語

綜上所述，為了促進我國食品化工行業(yè)穩(wěn)定持續(xù)的發(fā)展，我們要不斷加強雙極膜的研究應用工作，要積極研制出更為先進的雙極膜，充分發(fā)揮出雙極膜在食品工業(yè)領(lǐng)域中的重要作用，為人類社會生產(chǎn)出更多高品質(zhì)的食物產(chǎn)品，促進生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟的和諧發(fā)展進步。

參考文獻

[1]徐銅文，傅榮強，楊偉華.食品工業(yè)中的雙極膜技術(shù)[J].膜科學與技術(shù)，2014，23（4）：190-196.

[2]任羽西，陳震，林金火. “三明治”雙極膜的制備及其在降解含酚廢水中的應用[J].復合材料學報，2012（3）：1-9.

[3]徐銅文，楊偉華，何炳林.雙極膜的水解離現(xiàn)象——雙基膜的物理構(gòu)型、離子傳遞及其理論壓降分析[J].中國科學B輯，1999，26（6）：481-488.

[4]周挺進，陳曉，陳日耀，等.靜電紡絲法制備PVA-SA-CuTsPc納米纖維改性CMC-PVA/CS-PVA雙極膜[J].高分子材料科學與工程，

2013，29（1）：166-170.

作者簡介：張雯雯（1985，9-），女，漢族，河南寶豐縣人，碩士，河南質(zhì)量工程職業(yè)學院，食品化工系，助教，研究方向：電化學。

王艷曉（1985，9-），女，漢族，河南魯山縣人，碩士，河南質(zhì)量工程職業(yè)學院，食品化工系，助教，研究方向：化學教育。

許明先（1986，9-），女，漢族，河南汝州市人，本科，平頂山市神馬萬里化工股份有限公司，助理工程師，研究方向：環(huán)己醇生產(chǎn)工藝。