乳清蛋白超濾過(guò)程中膜污染機(jī)制及監(jiān)測(cè)方法研究進(jìn)展

王文瓊,周吉陽(yáng),李健駒,于倩,郭勝,徐粉林,魯茂林,顧瑞霞*

1(江蘇乳品生物技術(shù)與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(揚(yáng)州大學(xué)) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州,225127) 2(維維食品飲料股份有限公司,江蘇 徐州,221111)

乳清是生產(chǎn)干酪時(shí)的副產(chǎn)物,乳清蛋白是生產(chǎn)干酪過(guò)程中進(jìn)入乳清中的一類(lèi)蛋白質(zhì),由濃縮工藝制備而得。乳清蛋白的功能性成分有乳球蛋白,乳白蛋白,免疫球蛋白,牛血清白蛋白(bovine serum albumin,BSA),另外,還有一些乳鐵蛋白、乳過(guò)氧化酶、生長(zhǎng)因子等具有特殊生物功能的成分,這些活性成分使乳清蛋白具備了有益于人體的諸多保健作用,因此是功能性食品的重要成分來(lái)源。在濃縮乳清蛋白時(shí),選擇合適的濃縮技術(shù)一方面可以有效的保留乳清蛋白的活性成分,另一方面可以節(jié)能減耗、降低成本。目前,膜濃縮技術(shù)已廣泛應(yīng)用于食品加工方面的研究。盡管該技術(shù)在對(duì)資源充分利用的同時(shí)達(dá)到了節(jié)能減排的效果,但是仍然存在膜污染等問(wèn)題。如膜表面的膜孔堵塞和濾餅層的形成而引起膜污染,膜通量降低,導(dǎo)致生產(chǎn)率降低。因此迫切需要了解膜污染的形成機(jī)制以及開(kāi)發(fā)有效的污染監(jiān)測(cè)方法及預(yù)防策略,以預(yù)測(cè)和控制隨時(shí)間變化的膜污染行為。

1 膜污染的形成及影響因素

膜污染形成過(guò)程可以分為3個(gè)階段：第1階段在超濾過(guò)程的前幾分鐘,小分子溶液不斷透過(guò)膜,大分子溶質(zhì)截留在膜表面,膜面的溶質(zhì)濃度高于主體的濃度,形成濃度邊界層,膜和溶液的界面上溶質(zhì)濃度達(dá)到吸附的擬穩(wěn)定狀態(tài)[1]；第2階段在十幾到幾十分鐘之間,溶質(zhì)在膜表面和膜孔中不斷吸附,膜通量迅速下降,該階段對(duì)膜通量起控制作用,第3階段為幾十分鐘后,隨著溶質(zhì)在膜表面的繼續(xù)富集形成凝膠,膜通量下降速度比第2階段要小[2]。

乳清廢水中蛋白質(zhì)主要包括β-乳球蛋白(β-lactoglobulin,β-LG)、α-乳清蛋白和BSA,此外還含有乳糖、礦物質(zhì)和少量脂肪。乳清蛋白膜濃縮超濾過(guò)程中膜污染原因主要是乳清蛋白聚集體誘導(dǎo)或增強(qiáng)膜導(dǎo)致。這種現(xiàn)象是由于蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)-膜的相互作用力造成的,并且取決于不同的因素,例如pH,進(jìn)料溶液的溫度和組成,膜的特性(孔徑和材料)以及操作條件(跨膜壓力和錯(cuò)流速度)[3]。

1.1 pH對(duì)乳清蛋白超濾效果的影響

研究顯示,在等于蛋白質(zhì)等電點(diǎn)條件下膜污染嚴(yán)重[4-5]。通量在蛋白等電點(diǎn)處為最小值,而在較低和較高的pH值下通量均增加。主要是pH影響了原料液中蛋白質(zhì)的溶解度和帶電性,蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)處的溶解度最小,容易沉積吸附在膜表面[6]。BSA在不同pH條件下過(guò)濾,結(jié)果表明,初始通量和最終通量在pH 5時(shí)都顯示出最小值,即在等電點(diǎn)處蛋白質(zhì)的表面聚集和吸附表現(xiàn)出最大值。而在低于蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)處的pH發(fā)現(xiàn)了具有高通量和蛋白質(zhì)傳遞值。同時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)濾初期主要是蛋白質(zhì)和膜的相互作用,而在過(guò)濾后期的高污染狀態(tài)下,主要是蛋白質(zhì)之間的相互作用導(dǎo)致膜污染增強(qiáng)[7]。另外,較低的溶液pH(pH 4和pH 5)下,由于靜電吸引,BSA分子迅速而緊密地吸附在膜表面,隨著溶液pH值的增加,靜電排斥力越大,帶負(fù)電的BSA分子在膜表面的吸附能力降低,逐漸形成濾餅層,膜通量更高[8]。ALMéCIJA等[9]通過(guò)測(cè)量α-乳白蛋白(α-lactalbumin,α-LA)、β-LG、BSA、IgG和乳鐵蛋白的通量-時(shí)間曲線(xiàn)以及截留率來(lái)評(píng)估pH對(duì)超濾過(guò)程的影響,在極端pH下(pH 3和pH 10)所有乳清蛋白和膜都具有相同的電荷符號(hào)(分別為正和負(fù)),由于排斥作用,膜污染降低。在pH 4和pH 5(最豐富的乳清蛋白的等電點(diǎn)附近),由于不帶電的α-乳清蛋白,β-LG和BSA分子的聚集體沉積在膜上,膜污染嚴(yán)重。

因此,蛋白溶液pH對(duì)蛋白的溶解度以及超濾過(guò)程有著重要的影響,在高于或低于其pI的pH值下,蛋白質(zhì)的凈負(fù)電荷或正電荷有助于整體蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性及膜運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)[10]。遠(yuǎn)離蛋白質(zhì)等電點(diǎn),使溶液中蛋白帶有相同電荷,有助于降低超濾過(guò)程中蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)-膜之間的相互作用,增加膜通量,降低膜污染,延長(zhǎng)膜運(yùn)行時(shí)間。

1.2 溫度對(duì)乳清蛋白超濾效果的影響

溫度對(duì)蛋白在膜表面的沉積層結(jié)構(gòu)有間接影響,如果排斥力較低,或由于熱誘導(dǎo)疏水蛋白基團(tuán)暴露于環(huán)境而引起范德華力增加,就會(huì)在膜表面形成致密的沉積層。對(duì)于熱穩(wěn)定性較低的BSA,隨著溫度升高,pH高于等電點(diǎn)時(shí)蛋白質(zhì)吸附增加,而低于等電點(diǎn)時(shí)吸附不受影響。牛血清白蛋白變性會(huì)導(dǎo)致膜污染加劇,如果蛋白質(zhì)疏水性增加,則蛋白質(zhì)對(duì)固體表面(如膜)的吸附會(huì)增強(qiáng)。研究顯示在乳清蛋白微濾過(guò)程中,溫度≤10 ℃和>35 ℃時(shí),因?yàn)槲蕉鴮?dǎo)致的膜污染更易發(fā)生。10～30 ℃,污垢熱阻與溫度無(wú)關(guān)[11]。35～40 ℃,污垢熱阻迅速提高。對(duì)于<20 ℃的過(guò)濾溫度,通量下降是由于形成松散堆積的濾餅所致。溫度>30 ℃時(shí),平均污垢阻力和固體高度均增加,并形成了1個(gè)較高的總阻力(resistance force,RF)致密餅層。另一方面,由于乳清蛋白之間的排斥力隨溫度增加[12],導(dǎo)致污染阻力降低。高溫下大量沉積物形成,過(guò)濾效率最低。當(dāng)溫度升高時(shí),中性pH范圍內(nèi)的污染反應(yīng)更強(qiáng)烈,這可能是由于硫醇/二硫化物反應(yīng)速度加快和含鈣蛋白質(zhì)交聯(lián)作用的結(jié)果。低溫有助于蛋白超濾過(guò)程,5和13 ℃有助于蛋白有效結(jié)構(gòu)的保留[13]。溫度>50 ℃時(shí),隨著超濾時(shí)間的延長(zhǎng),就會(huì)在膜表面形成蛋白凝膠,發(fā)生不可逆的污染[14]。KENNETH等[15]研究了10、30和50 ℃下脫脂乳超濾(ultrafiltration,UF)過(guò)程中的通量下降行為。盡管通量較高,但在較高溫度下進(jìn)行超濾處理仍會(huì)導(dǎo)致較高的不可逆結(jié)垢率。在此溫度范圍內(nèi),污染物主要是由肽和α-LA組成的蛋白質(zhì),僅在50 ℃時(shí)存在少量β-LG,礦物質(zhì)約占結(jié)垢物質(zhì)的0.4%?？梢哉J(rèn)為,耐污垢性隨加工溫度的增加主要是由于α-LA沉積增加了膜孔污染,部分原因是在50 ℃時(shí)β-LG沉積?？赡苡捎谀た椎臒崤蛎浐挺?LG的可逆構(gòu)象變化。因此,乳清蛋白在超濾的過(guò)程中,通過(guò)提高溫度可以短暫的提高膜通量,溫度升高可以使膜孔徑增加,提高膜通量,但是隨著超濾時(shí)間的延長(zhǎng),溫度的增加會(huì)使蛋白的疏水基團(tuán)暴露,增加蛋白在膜表面的堆積,形成不可逆的污染。

1.3 跨膜壓力(transmembrane pressure,TMP)對(duì)超濾效果影響

TMP對(duì)膜污染起著重要作用。低TMP下的膜過(guò)濾可以減輕污染和濃差極化,但通量較低。較高的TMP可以提高驅(qū)動(dòng)力,提高初始通量但可能形成較大的濃差極化。JIANG等[16]研究了8 k,9 k和10 kPa 的TMP對(duì)膜過(guò)濾性能的影響。TMP為9 kPa的膜污染最小,而10 kPa的膜污染最大。推測(cè)膜污染主要由濾餅層模型引起,濾餅層模型也是10 kPa膜過(guò)濾的最重要的結(jié)垢機(jī)理。在8 k和10 kPa的TMP時(shí),總抗污垢性主要來(lái)自于去除蛋白質(zhì),多糖大分子容易在膜表面聚集,導(dǎo)致可逆污染。蛋白質(zhì)傾向于堵塞膜孔并導(dǎo)致不可逆的污染。在剪切應(yīng)力[τ(w)]為45～341 Pa時(shí),當(dāng)施加極限跨膜壓力時(shí),通量顯示隨著壁面剪應(yīng)力的增加幾乎呈線(xiàn)性增加,并在臨界τ(w)處達(dá)到峰值,τ(w)的進(jìn)一步增加導(dǎo)致通量減小,直到穩(wěn)定為止。結(jié)果發(fā)現(xiàn),通量和蛋白質(zhì)透過(guò)率都依賴(lài)于ΔPTM。當(dāng)沉積層被壓縮時(shí),它對(duì)蛋白質(zhì)的透過(guò)性降低[17]。β-LG和少量酪蛋白的滲透隨著ΔPTM的增加而減少。隨著ΔPTM的減小,通量逐漸減小。而高ΔPTM值可能會(huì)導(dǎo)致沉積層結(jié)構(gòu)的不可逆改變,即沉積層中酪蛋白膠束的壓縮形成蛋白質(zhì)凝膠,最高跨膜壓力決定了沉積層的結(jié)構(gòu)以及過(guò)濾效率。在τ(w)恒定的情況下,沉積物的形成主要取決于初始施加的跨膜壓力。此外,在恒定跨膜壓力下壁面剪切應(yīng)力的變化表明,在高τ(w)下孔隙相關(guān)的污染決定了過(guò)濾性能,而在低τ(w)時(shí),則由沉積物相關(guān)的污染決定。

1.4 離子強(qiáng)度的影響

不同離子強(qiáng)度下蛋白質(zhì)在超濾膜界面的微觀作用行為顯示,當(dāng)離子濃度達(dá)到一定值,則會(huì)出現(xiàn)水合排斥力,削弱超濾膜與蛋白及蛋白與蛋白之間的相互作用力,進(jìn)而導(dǎo)致超濾膜界面的蛋白質(zhì)吸附沉積速率減緩,降低膜污染。DING等[18]為了系統(tǒng)地了解蛋白質(zhì)的作用,在BSA存在情況下,研究了再生纖維素超濾膜(通常用于蛋白質(zhì)分離)的性能,結(jié)果表明,由于BSA分子之間的強(qiáng)靜電排斥力,在溶液高pH和低水溫下可減輕膜污染。Na+和Ca2+均可增加膜通量。Ca2+在相鄰的BSA分子之間起橋梁作用,可以通過(guò)與相鄰蛋白質(zhì)結(jié)合并減少其電荷來(lái)增強(qiáng)膜污染[19],Ca2+通過(guò)橋連效應(yīng)將2個(gè)相鄰羧基之間的離子橋形成BSA-Ca絡(luò)合物,在Ca2+存在下,濾餅過(guò)濾模型是主要的膜污染模型。而Na+通過(guò)水合排斥力減輕了膜污染。對(duì)膜污染的影響順序如下：Ca2+濃度>Na+濃度>pH>溫度>胰蛋白酶濃度。此外,聚偏二氟乙烯超濾膜實(shí)驗(yàn)表明,Ca2+可以減少BSA引起的結(jié)垢。不同帶電蛋白質(zhì)微觀作用力隨離子強(qiáng)度(采用Na+)變化,觀察蛋白質(zhì)在膜表面吸附量及吸附層結(jié)構(gòu)特征,結(jié)果表明,靜電作用力是控制不同電性蛋白質(zhì)膜污染的主要因素,但當(dāng)BSA呈電中性和電負(fù)性時(shí),離子強(qiáng)度達(dá)一定值時(shí),Na+(水合陽(yáng)離子)產(chǎn)生的水合排斥力則會(huì)減小蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)-膜之間的靜電作用力,減輕膜污染。水合作用更易發(fā)生在BSA等電點(diǎn)處。由上可以看出,控制pH和離子強(qiáng)度是控制超濾過(guò)程中膜污染的重要因素[20]。

2 利用數(shù)學(xué)模型對(duì)膜污染問(wèn)題的研究

通量的下降會(huì)對(duì)過(guò)濾過(guò)程生產(chǎn)率產(chǎn)生巨大影響,因此通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)膜通量的時(shí)間演變,將數(shù)學(xué)模型擬合到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中。其中完全堵塞、中間堵塞、標(biāo)準(zhǔn)堵塞、濾餅形成等模型通常都被用來(lái)分析蛋白質(zhì)過(guò)濾中的通量衰減問(wèn)題。在利用這些模型進(jìn)行研究的過(guò)程中,大多都表明了膜污染不僅僅是在膜表面形成,同時(shí)在也膜孔內(nèi)沉積,而由于過(guò)濾條件的不同,污染的類(lèi)型也隨之改變。

2.1 串聯(lián)阻力模型

在不同數(shù)學(xué)模型中,半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图瓤梢詫?shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),又可以確定主要的膜污染機(jī)制[21]。串聯(lián)阻力模型是最常用的。CHOI等[22]采用串聯(lián)阻力模型,表明了BSA吸附的微球在微濾過(guò)程中滲透通量下降,該模型考慮了2個(gè)污垢阻力：由于在膜表面形成濾餅層而產(chǎn)生的阻力和由于污垢分子在膜多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的沉積。

(1)

式中：J，滲透通量；ΔP，跨膜壓力；μ，進(jìn)料溶液的黏度；Rm， 膜阻力；Rass，穩(wěn)態(tài)吸附阻力；Rpss，穩(wěn)態(tài)溶質(zhì)濃差極化阻力；A，膜面積 ；m，沉積在膜表面的蛋白質(zhì)含量；α0，比濾餅層阻力；b，溶質(zhì)在膜表面的沉積速率；t，過(guò)濾時(shí)間。

為了確定在不同進(jìn)料溶液和被測(cè)膜的結(jié)垢程度之間是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異,通過(guò)Statgraphics Centurion XVI軟件進(jìn)行了最小顯著差異(least significant difference,LSD)測(cè)試。對(duì)于此分析,對(duì)每種膜和乳清模型溶液進(jìn)行的每個(gè)超濾實(shí)驗(yàn)均重復(fù)10次,在所有情況下使用的置信區(qū)間為95%。擬合精度通過(guò)回歸系數(shù)(R2)和標(biāo)準(zhǔn)偏差(standard deviation,SD)進(jìn)行評(píng)估。在測(cè)試的所有膜和進(jìn)料溶液中,由于吸附和濃差極化引起的阻力在操作的最初幾分鐘內(nèi)占主導(dǎo)地位,是30 kDa膜結(jié)垢的主要原因。而濾餅形成導(dǎo)致的阻力在整個(gè)超濾時(shí)間內(nèi)都增加了,這在15 kDa的膜過(guò)濾結(jié)束時(shí)尤為明顯。串聯(lián)阻力模型可以解釋結(jié)垢阻力隨時(shí)間的變化。進(jìn)料溶液中蛋白質(zhì)和鹽的濃度越高,結(jié)垢程度越大。鈣鹽與乳清蛋白中的有機(jī)污垢分子中存在的羧基官能團(tuán)特異性結(jié)合后,可以在有機(jī)污垢鏈之間形成橋梁,加速了帶電有機(jī)分子的結(jié)垢,在膜表面形成了交聯(lián)的結(jié)垢層,并形成嚴(yán)重膜污染。

2.2 組合模型

經(jīng)典的膜污染模型通?？煞譃?種類(lèi)型：膜孔堵塞,中間堵塞,膜孔收縮和濾餅過(guò)濾。在許多過(guò)濾過(guò)程中,單一的簡(jiǎn)單模型可能不足以給出良好的膜通量估算值。膜孔堵塞和濾餅?zāi)Ｐ偷慕M合模型,用于蛋白質(zhì)過(guò)濾中的蛋白質(zhì)結(jié)垢[24]。由于最初階段孔堵塞而引起的膜污染,以及由于在這些堵塞區(qū)域上形成餅層污染,導(dǎo)致膜污染的加聚,使膜阻力增加。同時(shí),也有研究將膜孔堵塞和濾餅?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了一些改進(jìn)用來(lái)描述錯(cuò)流過(guò)濾。CORBATN-BGUENA等[23]使用了2個(gè)主要的結(jié)垢機(jī)理(完全堵塞和濾餅形成)和1個(gè)與時(shí)間相關(guān)的孔堵塞參數(shù)對(duì)滲透通量進(jìn)行建模,該參數(shù)表示完全封閉的膜孔的分?jǐn)?shù),即被溶質(zhì)分子堵塞的膜孔占總膜孔的比例。通過(guò)以下方法描述隨時(shí)間變化的孔阻塞參數(shù)(α)的變化,其極限值(α0)和膜孔被完全堵塞的速率常數(shù)(b)。每種機(jī)理的方程式均取自適用于錯(cuò)流超濾的Hermia模型。

下列數(shù)學(xué)方程式顯示了Hermia模型適用于橫流超濾以實(shí)現(xiàn)完全阻塞[公式(2)]和濾餅形成機(jī)理[公式(3)]以及在這項(xiàng)工作中開(kāi)發(fā)的組合模型的一般方程式[公式(4)]：

JCPB=Jf+(Ji-Jf)exp(-KCPB·Jit)

(2)

(3)

Jmodel=α·JCPB+[1-α]·JCF·α=

α0(1-exp(-b·t))

(4)

式中：Ji,超濾試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的實(shí)驗(yàn)滲透通量;Jf,超濾試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的實(shí)驗(yàn)滲透通量;Jmodel,通過(guò)組合模型方程計(jì)算的滲透通量;JCPB,滲透通量用完整的孔阻塞方程計(jì)算;KCPB,完整的孔阻塞模型的Hermia常數(shù);JCF,通過(guò)濾餅形成模型方程計(jì)算的滲透通量;KCF,濾餅形成模型的Hermia常數(shù);α,孔阻塞模型參數(shù);α0,孔隙阻塞參數(shù)的極限值;b,參數(shù)α增長(zhǎng)的速率常數(shù);t,過(guò)濾時(shí)間。

一旦獲得了所有測(cè)試的進(jìn)料溶液和膜的滲透通量數(shù)據(jù),就可以使用基于Levenberg-Marquadt算法的最小二乘最小化曲線(xiàn)擬合方法(通過(guò)MathCad?軟件的“Genfit”功能)。對(duì)于每種研究案例,計(jì)算回歸系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差以表示模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。為了概括獲得的模型參數(shù)的值,使用Statgraphics Centurion XVI軟件進(jìn)行了多次回歸分析,以將每個(gè)模型參數(shù)(KCPB,KCF,α0和b)與進(jìn)料溶液特性(鈣和蛋白質(zhì)濃度)相關(guān)聯(lián)。將鈣和蛋白質(zhì)濃度的值代入上述多元回歸方程式,可以獲得由組合模型預(yù)測(cè)的滲透通量下降,然后將其與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。結(jié)果表明當(dāng)在2 bar和2 ms-1下用5～30 kDa的膜對(duì)乳清模型溶液進(jìn)行超濾時(shí),該組合模型適合描述滲透通量的時(shí)間演變。并證實(shí)了組合模型適合于預(yù)測(cè)乳清模型溶液超濾中的滲透通量下降。但該文獻(xiàn)中參數(shù)值并未能反映膜孔徑變大而參數(shù)值變小的問(wèn)題。

2.3 壓力屈服流變模型

KARASU等[25]研究了用作模型流體的乳清蛋白濃縮物(whey protein concentrate,WPC)懸浮液的流變學(xué)?；谶M(jìn)料流所施加的剪切應(yīng)力與所研究的流變學(xué)之間的關(guān)系確定污垢層頂部的濃度。體積分?jǐn)?shù)大于凝膠點(diǎn)分?jǐn)?shù)φgel的濃縮顆粒懸浮液形成網(wǎng)絡(luò),懸浮液的固相就會(huì)顯示出正常的抗壓縮應(yīng)力。該應(yīng)力稱(chēng)為壓縮屈服應(yīng)力Py。在壓縮屈服應(yīng)力模型中,結(jié)垢層的電阻αc隨結(jié)垢層的局部體積分?jǐn)?shù)φ而變化。

下列數(shù)學(xué)方程式通過(guò)將壓縮屈服應(yīng)力模型應(yīng)用到LANDMAN等[26]提出的無(wú)端超濾中,建立了錯(cuò)流超濾滲透模型。該模型的詳細(xì)說(shuō)明如公式(5)所示：

體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系φ,和P由公式(5)表示：

Py(φ)=0(0<φ≤φgel)

(5)

在該模型中,將結(jié)垢層頂表面的體積分?jǐn)?shù)確定為屈服剪切應(yīng)力等于剪切應(yīng)力的體積分?jǐn)?shù)。將模擬的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。根據(jù)模擬結(jié)果,可觀察到較高的TMP會(huì)使在結(jié)垢層中的顆粒之間形成更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)。另一方面,由于滲透過(guò)程的行為更為復(fù)雜。因此KARASU等[25]又對(duì)該模型進(jìn)行了改進(jìn),在該模型中,認(rèn)為通過(guò)孔堵塞機(jī)理引起的膜污染和可壓縮濾餅層的發(fā)展同時(shí)發(fā)生。修改并耦合了孔隙阻塞模型和壓縮屈服應(yīng)力模型,以給出滲透通量的數(shù)值預(yù)測(cè)。為了構(gòu)建模型,滲透過(guò)程分為3個(gè)部分：具有進(jìn)料流的本體相,可壓縮餅層和發(fā)生堵塞的膜。進(jìn)料流施加的剪切應(yīng)力與可壓縮餅層頂部的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。HO等[24]提出的孔隙堵塞模型適用于本研究。由于模型中的組合,每個(gè)計(jì)算步驟都需要迭代時(shí)間增量。通過(guò)改變孔隙堵塞因子α,蛋白質(zhì)結(jié)垢的初始阻力Rp0和濾餅去除率υ作為模型參數(shù)來(lái)擬合模型。將基于模型的估計(jì)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合良好。根據(jù)本研究中提出的結(jié)果,可以得出結(jié)論,2種模型的組合使用能夠解釋整個(gè)錯(cuò)流過(guò)濾過(guò)程。

3 監(jiān)測(cè)技術(shù)探究膜污染問(wèn)題

通常根據(jù)滲透通量的減少或壓力隨時(shí)間的增加來(lái)監(jiān)測(cè)膜結(jié)垢。常規(guī)技術(shù)沒(méi)有提供關(guān)于結(jié)垢的位置、組成或數(shù)量的信息。膜結(jié)垢的原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以提供有關(guān)結(jié)垢發(fā)展的動(dòng)態(tài)信息。原位實(shí)時(shí)監(jiān)控可理解為在線(xiàn)觀察對(duì)信號(hào)變化的快速響應(yīng),并且無(wú)需將樣品暴露于環(huán)境中。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)包括原位監(jiān)測(cè)和在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。而原位監(jiān)測(cè)包括將探針引入膜組件(侵入性)或通過(guò)該模塊監(jiān)測(cè)過(guò)程(非侵入性),以及在線(xiàn)監(jiān)測(cè)手段以連續(xù)分析進(jìn)料,截留物和/或滲透物流[27]。

圖1 侵入和非侵入性監(jiān)測(cè)方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of invasive and non-invasive monitoring methods

3.1 侵入性

3.1.1 紅外光譜法

KOTTING等[28]研究表面時(shí)間分辨傅立葉變換紅外差異光譜(Fourier transform infrared difference spectroscopy,FTIR)可以揭示蛋白質(zhì)反應(yīng)機(jī)理的大量分子細(xì)節(jié)。通過(guò)差異光譜的表現(xiàn),可以從整個(gè)樣品的背景吸光度中選擇參與反應(yīng)的蛋白質(zhì)基團(tuán)的吸光度帶。可以用低至納秒的時(shí)間分辨率監(jiān)控吸光度的變化,并跟蹤超過(guò)9個(gè)數(shù)量級(jí)的時(shí)間段。該技術(shù)可以提供與X射線(xiàn)結(jié)構(gòu)分析互補(bǔ)的信息,包括：氫鍵、質(zhì)子化狀態(tài)、電荷分布,蛋白質(zhì)反應(yīng)的時(shí)間依賴(lài)性,對(duì)于揭示超濾過(guò)程中蛋白與蛋白,蛋白與膜之間的相互作用具有關(guān)鍵作用。

3.1.2 共聚焦激光掃描顯微鏡

共聚焦激光掃描顯微鏡(confocal laser scanning microscope,CLSM)是一種光學(xué)顯微鏡技術(shù),具有比常規(guī)光學(xué)顯微鏡更好的軸向分辨率,并且可以在三維物體中提供不同深度的高分辨率圖像。CLSM圖像具可視化膜結(jié)構(gòu),污垢在孔內(nèi)和膜表面的沉積以及對(duì)污垢和微生物的單獨(dú)識(shí)別。圖像分析是一種非常強(qiáng)大的工具,可以提供有關(guān)孔徑、膜和濾餅厚度、粗糙度、缺陷大小和濾餅孔隙率等信息。但是,CLSM的缺點(diǎn)之一是穿透深度短[29]。ELSHEREEF等[30]開(kāi)發(fā)了將膜樣品平行于Z軸進(jìn)行切片,以提供可以用CLSM分析的平坦橫截面層以解決這一限制。CLSM正在成為一種輔助的表征方法,可被用于超濾過(guò)程中的在線(xiàn)表征。與普通的顯微技術(shù)一起,提供可用于改善膜制造和工藝性能的信息。

3.2 非侵入性

3.2.1 熒光光譜監(jiān)測(cè)法

ELSHEREEF等[30]提出通過(guò)利用熒光光譜法收集的數(shù)據(jù)和通過(guò)多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)分析的內(nèi)在蛋白質(zhì)熒光來(lái)監(jiān)測(cè)滲透液和截留液中蛋白質(zhì)濃度的變化。使用光纖探針(optical fiber probe,FOP)采集滲透液和截留液在不同時(shí)間的多波長(zhǎng)熒光光譜。通過(guò)FOP采集的數(shù)據(jù)和尺寸排阻色譜法測(cè)量的相應(yīng)蛋白質(zhì)濃度之間建立校正模型,開(kāi)發(fā)了多元回歸模型來(lái)預(yù)測(cè)α-LA,β-LG和BSA的濃度。與整個(gè)濃度范圍(即0～0.50 g/L)的參考值相比,β-LG和α-LA濃度的模型預(yù)測(cè)相當(dāng)合理。同時(shí),在較小的濃度范圍(0～0.10 g/L)內(nèi),對(duì)BSA濃度的模型預(yù)測(cè)顯示是準(zhǔn)確的。當(dāng)樣品中總蛋白質(zhì)含量超過(guò)0.10 g/L時(shí),對(duì)BSA濃度的模型預(yù)測(cè)將降低20%,這可能是由于蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用導(dǎo)致的熒光光譜非線(xiàn)性所致。對(duì)不同的pH值和跨膜壓力值均顯示出良好的預(yù)測(cè)。

3.2.2 紫外/可見(jiàn)反射光譜監(jiān)測(cè)法

紫外/可見(jiàn)(UV/Vis)反射光譜儀使用紫外可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的光,并且基于電磁輻射和不透明表面之間的相互作用。光的光子能量將分子電子促進(jìn)或激發(fā)到更高能量的軌道。這與熒光光譜相反,熒光光譜基于分子電子從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷。紫外/可見(jiàn)反射光譜可以用來(lái)表征膜-溶液界面。從不透明表面反射的光可以由位于膜上方的光纖探頭記錄。吸收峰的波長(zhǎng)給出了關(guān)于污垢中存在的官能團(tuán)的定性信息,因此該方法可以用于確定污垢層的組成[31]。紫外/可見(jiàn)反射光譜是一種簡(jiǎn)單、快速、經(jīng)濟(jì)的技術(shù),被開(kāi)發(fā)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并有望提供信息,從而更好地理解膜污染[32]。GAO等[32]通過(guò)UV/Vis光譜與電化學(xué)阻抗光譜實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)濾過(guò)程中界面區(qū)域的原位監(jiān)測(cè),研究超濾過(guò)程中離子強(qiáng)度對(duì)BSA污染的作用。研究發(fā)現(xiàn),離子強(qiáng)度越高時(shí)膜污染越嚴(yán)重,并且持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。這主要是由于濃差極化(concentration polarization,CP)和電滲回流,導(dǎo)致膜表面附近的鹽離子濃度升高,增加了過(guò)濾阻力,膜表面蛋白發(fā)生鹽析現(xiàn)象。

3.2.3 流動(dòng)電勢(shì)監(jiān)測(cè)技術(shù)

流動(dòng)電勢(shì)(streaming potential,SP)是由多孔材料的兩側(cè)之間的電動(dòng)通量引起的電位差。當(dāng)電解質(zhì)由于跨膜的壓力差(橫向流電勢(shì))流過(guò)膜時(shí),或者當(dāng)電解質(zhì)沿著膜流(切線(xiàn)流電勢(shì))流過(guò)時(shí),就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。在橫向流動(dòng)時(shí),有助于通過(guò)膜和污染層之間電動(dòng)力學(xué)的相互作用測(cè)量Zeta電位。SP已被用于研究膜污染過(guò)程中Zeta電位對(duì)濾餅層形成、濾餅壓縮和孔隙堵塞的響應(yīng)。WANG等[33]調(diào)查了在微污染水處理中在線(xiàn)凝結(jié)膜污染監(jiān)測(cè)中被污染膜的明顯Zeta潛力。結(jié)果表明,在直接過(guò)濾過(guò)程和在線(xiàn)凝結(jié)超濾(coagulation ultrafiltration,C-UF)中,表觀Zeta電位均與TMP一致。表觀Zeta電位可能是監(jiān)測(cè)膜污染的有用指標(biāo)。TEYCHENE等[34]介紹了一種通過(guò)恒壓電勢(shì)測(cè)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)膜污染的新方法,使電位值與過(guò)濾操作參數(shù)(如膜表面沉積質(zhì)量或跨膜壓力)相聯(lián)系。本文研究了孔徑約為0.1 μm的聚砜微濾膜被帶負(fù)電的乳膠粒子懸浮液(粒徑為200 nm)污染后的極壓性能。結(jié)果表明,膜壓和顆粒沉積質(zhì)量對(duì)膜電位變化和結(jié)垢速率的影響是相似的,可以作為一種新的結(jié)垢指標(biāo)。

3.2.4 光聲光譜監(jiān)測(cè)法

光聲光譜法(photoacoustic spectroscopy,PAS)基于樣品內(nèi)部電磁輻射的吸收,并結(jié)合了光學(xué)光譜法和超聲層析成像的功能。SEGAL等[35]結(jié)合傅立葉變換紅外-PAS(Fourier transform infrared spectroscopy-photoacoustic spectroscopy,FTIR-PAS)和偏最小二乘(partial least-square,PLS)分析來(lái)定量研究多糖存在的情況下超濾膜上的蛋白質(zhì)污染情況,通過(guò)FTIR-PAS對(duì)污染的膜進(jìn)行直接分析,并使用PLS模型估算膜上存在的BSA量。結(jié)果表明該方法對(duì)BSA濃度估計(jì)值相關(guān)性很好,典型誤差小于所研究范圍的10%,與多糖濃度無(wú)關(guān)?？梢赃M(jìn)行實(shí)時(shí)原位測(cè)量,間接估算BSA的膜污染情況。光聲光譜可被用于作為FTIR-ATR的替代品。

3.2.5 超聲波時(shí)域反射儀

超聲波時(shí)域反射儀(ultrasonic time domain reflectometer,UTDR)是一種聲學(xué)技術(shù),利用超聲波的傳輸和反射在波傳播的介質(zhì)上提供信息,當(dāng)超聲波在2種介質(zhì)中相遇,能量將被分割,產(chǎn)生反射波,相對(duì)于入射波,反射波的振幅取決于在媒介之間聲波阻抗差。因此UTDR一般原理是利用膜和污染層之間阻抗差來(lái)引起超聲波變化。UTDR已被證實(shí)能夠以非侵入性和非破壞性的方式實(shí)時(shí)測(cè)量過(guò)濾過(guò)程中的結(jié)垢情況。但是,大多數(shù)先前的研究?jī)H使用頻率小于10 MHz的超聲波在特定位置測(cè)量樣品,這些問(wèn)題不僅造成超聲分辨率不足,無(wú)法敏感地區(qū)分細(xì)小厚度的污垢,而且也無(wú)法獲得有關(guān)膜空間分布的有限信息。KUJUNDZIC 等[36]研究了頻率為50 MHz、f值為1.5、軸向和橫向分辨率分別優(yōu)于50和100 μm的高頻超聲系統(tǒng),用于平板組件中膜污染層的檢測(cè)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)性能并研究結(jié)垢沉積在各種過(guò)濾條件下的分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)垢沉積是時(shí)間和空間相關(guān)的過(guò)程,并且通過(guò)結(jié)合分析方法的高頻超聲圖像可以靈敏和快速地評(píng)估結(jié)垢沉積。

3.2.6 電阻抗圖譜技術(shù)

電阻抗圖譜技術(shù)(electrical impedance spectroscopy,EIS)是一種原位在線(xiàn)監(jiān)測(cè)膜污染過(guò)程的有力工具,利用電勢(shì)變化引起系統(tǒng)電阻變化。可用于檢測(cè)膜和污染層界面上的電導(dǎo)和電容變化。SIM等[37]研究了在RO過(guò)濾過(guò)程中對(duì)結(jié)垢過(guò)程進(jìn)行原位EIS測(cè)量。研究介紹了利用EIS測(cè)量來(lái)表征恒流量運(yùn)行下橫流模塊中的污垢?；驹硎?當(dāng)將側(cè)流連接到較大的螺旋纏繞模塊上時(shí),配備有用于阻抗譜測(cè)量的合適電極的橫流反滲透電池可以充當(dāng)較大系統(tǒng)的“canary”池,以指示運(yùn)行期間反滲透性能的當(dāng)前狀態(tài)。模型的基礎(chǔ)是二氧化硅、BSA及其二元混合物。建議EIS可用于膜行業(yè)中RO結(jié)垢的早期檢測(cè)。馮芳芳等[38]采用電阻抗圖譜技術(shù)結(jié)合Zeta電位原位表征中空纖維膜局部膜污染行為和膜污染遷移現(xiàn)象,進(jìn)而對(duì)膜孔堵塞、濾餅層形成和濾餅層壓實(shí)不同的污染階段重新定義。

3.2.7 橢圓儀

橢偏法是一種光學(xué)技術(shù),可用于檢測(cè),量化和導(dǎo)出有關(guān)各種表面上吸附過(guò)程的信息。在橢圓偏振法中,監(jiān)測(cè)從表面反射的入射光和反射偏振光的相變和振幅比。橢圓光度法的應(yīng)用通常僅限于在吸附/膜污染過(guò)程中折射率隨時(shí)間變化的界面。而且,它沒(méi)有提供具體的化學(xué)信息。因此,橢圓偏振法通常不能區(qū)分被吸附物和表面,或具有相似折射率的單個(gè)被吸附物。由于數(shù)據(jù)分析依賴(lài)于所研究表面的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算可能會(huì)很復(fù)雜,并且結(jié)果的有效性很大程度上取決于理論模型。該方法需要良好的數(shù)學(xué)建模,限制了其適用性。但從理論上講,在實(shí)際的膜過(guò)濾中,它通?？梢员O(jiān)控膜污染的早期階段。

3.2.8 小角度散射技術(shù)

小角度散射(small angle scattering,SAS)技術(shù)是在與遠(yuǎn)大于輻射波長(zhǎng)的物體相互作用后,準(zhǔn)直輻射束從其直線(xiàn)軌跡的小偏轉(zhuǎn)或散射。散射的輻射被收集在1個(gè)區(qū)分角度的探測(cè)器中,提供有關(guān)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的直接信息。兩種常見(jiàn)的空間分析技術(shù)是小角X光散射(small angle X-ray scattering,SAXS)和小角中子散射(small angle neutron scattering,SANS)。SAXS技術(shù)在研究高分子材料的亞微觀結(jié)構(gòu)(納米至數(shù)百納米)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),是研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種重要手段。DAVID等[39]使用酪蛋白超微濾池進(jìn)行原位SAXS,可以探測(cè)酪蛋白膠束懸浮液前過(guò)濾過(guò)程中沉積層的結(jié)構(gòu)分布和濃度分布。SAXS允許在距離膜表面280 μm～1 mm的酪蛋白膠束堆積層的結(jié)構(gòu),按照從幾納米到大約100 nm的長(zhǎng)度尺度進(jìn)行跟蹤。JIN等[40]研究了使用設(shè)計(jì)的“SAXS錯(cuò)流US-偶聯(lián)濾池”,通過(guò)多尺度表征研究了超聲(ultrasonic,US)對(duì)脫脂奶錯(cuò)流超濾的影響。隨著濃度的增加(從27到216 g/L),酪蛋白膠束懸浮液的流變行為發(fā)生了從牛頓到剪切變稀直至屈服應(yīng)力出現(xiàn)的演化過(guò)程。通過(guò)實(shí)時(shí)SAXS測(cè)量,首次揭示了脫脂牛奶錯(cuò)流過(guò)濾過(guò)程中的濃度分布。在不改變酪蛋白膠束內(nèi)部結(jié)構(gòu)和膜選擇性的情況下,應(yīng)用超聲(20 kHz,2 W/cm2)可顯著提高濃縮層的滲透通量。該研究并未觀察到超聲波處理對(duì)酪蛋白膠束內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響,但可以監(jiān)測(cè)過(guò)濾過(guò)程中濃縮層的演變。該方法由于數(shù)據(jù)分析較復(fù)雜,采集時(shí)間和可處理的樣本量是其限制性因素。

4 展望

本文綜述了乳清蛋白超濾濃縮過(guò)程中,各因素對(duì)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)-膜之間的相互作用機(jī)制。改善超濾過(guò)程中單元操作和控制條件,提高膜通量,降低膜污染則有望節(jié)省大量成本投入,提高生產(chǎn)效率。本文介紹的部分對(duì)膜監(jiān)測(cè)的方法還在開(kāi)發(fā)階段或已在醫(yī)學(xué)、生物領(lǐng)域以及研究實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用的監(jiān)測(cè)技術(shù),但未來(lái)可以應(yīng)用在食品領(lǐng)域的膜濃縮過(guò)程監(jiān)測(cè)。開(kāi)發(fā)自動(dòng)化的新儀器以及更有效的數(shù)據(jù)處理算法和化學(xué)計(jì)量學(xué)方法,從大數(shù)據(jù)中提取數(shù)學(xué)信息或統(tǒng)計(jì)處理方法,從而提高在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度,更有效的控制膜污染的發(fā)生。期望在不久的將來(lái)對(duì)單個(gè)技術(shù)及其進(jìn)一步的改進(jìn)可以與人工智能相結(jié)合包括一些數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型,針對(duì)食品工業(yè)中膜濃縮過(guò)程的監(jiān)測(cè)更加精準(zhǔn)和方便。