食品分離技術第一章 緒論第一節 分離技術的概念分離過程就是通過一定的手段，將混合物分成互不相同的幾種產品的操作過程，它包括提取和除雜兩個部分。分離技術是一門研究如何從混合物中把一種或幾種物質分離出來的科學技術。要實現混合物的分離，需要某種專門的設備和專門的過程，并且要提供相應的能量和物質。這是因為物質的混合過程是一個熵的增加過程，可以自發地進行；而從混合物中進行分離，是一個熵減少的過程。熵減的過程必須要有外加能量才能進行。第二節 分離技術的分類及特點所有的分離技術，都可以分為機械分離和傳質分離兩大類。機械分離處理的是兩相或者兩相以上的混合物，其目的是簡單地將各相加以分離，過程中不涉及傳質過程。如：過濾、沉降、離心分離、旋風分離等。傳質分離過程的特點是過程中有傳質現象發生。傳質分離技術處理的物料可以是均相體系，也可以是非均相體系。傳質分離過程包括平衡分離過程和速率分離過程。平衡分離過程是指借助于分離媒介（熱能、溶劑、吸附劑），使均相混合物變成兩相系統，再以各處組分擴散速度的差異來實現分離的過程。如：閃蒸、萃取、精餾、吸附、吸收、離子交換、結晶以及泡沫分離等。速率分離控制分離過程則主要是根據混合物中各個組分擴散速度的差異來實現分離的過程。如：反滲透、超濾、電流等，分離過程所處理的原料產品通常屬于同一相態，僅僅是組成上存在差異，利用濃度差、壓力差以及溫度差等作為分離推動力。如果按分離性質分類則有：物理分離法：以被分離對象在物理性質方面的差異作為分離依據，采用有效的化學手段進行分離，包括熱擴散法、梯度磁性分離法以及過濾、沉淀、離心分離等各種機械分離法。化學分離法：依據被分離對象在化學性質方面的差異，采用有效的化學手段進行分離的技術，如沉淀分離法、溶劑萃取法、離子交換技術等。物理化學分離法：被分離對象中，有時存在著不止一個特征方面的差異，包括在物理和化學方面的差異，據此可以采用物理手段與化學手段相結合的技術進行分離。一般來說，被分離組分之間的性質差別越大越多，分離的手段越多，分離越容易，分離得到的結果越精細，產品越好。第三節 分離技術與食品工業食品分離技術是指各種分離技術（包括物理的、化學的以及物理化學的）在食品科學與食品工程中的應用。其重要性表現在：食品分離技術是食品工業的基礎。食品分離技術能提高食品原料的綜合利用程度。食品分離技術能保持和改進食品的營養和風味。食品分離技術使產品符合食品衛生要求。現代食品分離技術能改變食品行業的生產面貌。第四節 食品分離過程的特點及其方法一、 食品分離過程的特點(1) 食品分離技術的分離對象各類繁多，結構復雜。(2) 產品質量與分離過程關系密切。(3) 食品安全性要求高。(4) 食品在分離過程中易腐敗變質。二、 食品分離方法的確定(1) 查找分離組分的基礎性研究資料，包括待分離組分的相對分子質量、化學結構、理化性質以及生物活性等。(2) 選擇和確立對該組分進行定性、定量測定的方法，目的在于能對分離效率有一個有效的評價。(3) 了解原料的我以及待分離組分的存在和含量情況。(4) 確定選用分離技術并對分離條件進行實驗選擇。(5) 對分離效果進行評價。(6) 中間試驗和工業生產應用的放大設計。第五節 食品分離技術的平價及其發展趨向一、 食品分離技術的評價1. 分離效率及其選擇性2. 產品質量3. 產品的安全性4. 生產工藝的簡化5. 生產成本二、 食品分離技術的發展趨向1. 傳統分離技術的發展2. 實驗室規模分離技術的放大和應用3. 生物大分子分離技術獲得較大的進展4. 新型分離技術的開發第二章 沉淀分離技術第一節 沉淀分離的目的及其方法沉淀是指溶液中的溶質在適當條件下由液相變成而析出的過程。分離過程中采用沉淀技術，目的有兩個：通過沉淀使目標成分達到濃縮和去雜質的目的；通過沉淀可將已純化的產品由液態變成固態，有利于保存和進一步的加工處理。應用沉淀分離技術時，應考慮三個因素：沉淀的方法和技術應具有一定的選擇性；注意到所選用的沉淀方法對目標成分的活性和化學結構是否有破壞作用；要考慮殘留在目標成分中的沉淀劑對人體是否有害。沉淀分離技術通常包括：(1) 無機沉淀劑沉淀分離法通常以鹽類作為沉淀劑的一類沉淀方法，如鹽析法，多用于各種蛋白質和酶類的分離純化，以及某些金屬離子的去除。常用的沉淀劑有：硫酸銨、碳酸銨、硫酸鈉、檸檬酸鈉、氯化鈉(2) 有機沉淀劑沉淀分離法以有機溶劑作為沉淀劑的一種沉淀分離方法，多用于生物小分子、多糖及核酸類產品的分離；有時也用于蛋白質的沉淀和金屬離子的去除；用于酶的沉淀分離時，易導致酶的失活。常用的沉淀劑有：丙酮、乙醇、甲醇(3) 非離子多聚體沉淀劑沉淀分離法采用非離子型的多聚體作為目標成分的沉淀劑，適用于生物大分子的沉淀分離，如酶、核酸、蛋白質、病毒、細菌等。典型的非離子多聚體是聚乙二醇（PEG）(4) 等電點沉淀法利用兩性電解質在等電點狀態下的溶解度最低而沉淀析出的原理。適用于氨基酸、蛋白質及其他屬于兩性電解質組分的沉淀分離，如大豆蛋白“堿提酸沉”。(5) 共沉淀分離法又稱為生物鹽復合沉淀法，用于多種化合物告別是一些小分子物質的沉淀。它是利用沉淀的同時對其他待分離成分吸附共沉淀而達到除雜的目的。(6) 變性沉淀分離法又稱為選擇性變性沉淀法，是利用特定條件使目標成分變性導致其性質的改變如溶解度下降而得以分離。適用于一些變性條件差異較大的蛋白質和酶類的分離純化。采用的變性條件有pH值、溫度的改變以及添加劑、利用酶的作用等，如腐竹的生產可以說是利用大豆蛋白質的熱變性而進行分離的一個例子。第二節 無機沉淀劑沉淀分離法一、 金屬鹽類沉淀分離法利用金屬離子與酸根在形成鹽類時溶解度低而得以沉淀分離。檸檬酸發酵工業中應用得較多的是鈣鹽法。分兩具步驟：鈣鹽中和，發酵液去除菌體后，加入碳酸鈣形成檸檬酸鈣沉淀。酸解，用硫酸處理，使之生成硫酸鈣沉淀。在蔗糖生產過程中，利用生成碳酸鈣沉淀或亞硫酸沉淀來進行糖的除雜和澄清。谷氨酸能與Zn2（鋅鹽法）、Ca2（鈣鹽法）、Co2、Cu2等金屬離子作用生成谷氨酸鹽沉淀，因此也可用于從發酵液中分離谷氨酸。影響此類沉淀效果的因素主要是溫度和pH值。采用此沉淀方法，常有共沉淀作用和吸附作用發生，并且一些金屬鹽（硫酸鈣）的溶解度也比較大，因此分離效果不是很理想，一般用作初步分離，并且通常是與其他分離方法配合使用。二、 鹽析法應用于蛋白質和酶類的分離（粗提純階段）。鹽析法的特點：成本低，不需特別的設備，操作簡單、安全，對一些生物活性成分的破壞作用小。（一） 鹽析原理在低鹽濃度下，蛋白質和酶類的溶解度隨著鹽的濃度提高而增大，這個過程稱為鹽溶。這主要是中性鹽離子對蛋白質分子表面活性基團及水活度的影響：無機鹽離子在蛋白質表面上吸附，使顆粒帶相同電荷而互相排斥。無機鹽離子增加了蛋白質的親水性，改善了與水膜的結合，增加了蛋白質分子與溶劑分子相互的作用力，使蛋白質的溶解度增加。當鹽濃度增加到一定程度時，在鹽離子的作用下，水活度大大降低，同時蛋白質表面的電荷被大量中和，蛋白質分子外表的水化膜被破壞，蛋白質分子相互聚焦而沉淀析出，這就是鹽析。在一定的pH值和溫度條件下，改變鹽的離子強度I值，使不同溶質在不同的離子強度下有最大的析出，這種方法稱為KS分段鹽析法。保持溶液的離子強度不變，改變溶液的pH值和溫度，使不同溶質在不同的pH值和溫度條件下有最大的析出，這種方法稱為分段鹽析法。一般來說，高價陰離子如硫酸根、磷酸根等有較高的KS（鹽析常數，數值越大，鹽析效果越好）值，而高價陽離子如鎂離子、鈣離子等，則會有較低的KS值。（二） 鹽析分離法中鹽的選擇在蛋白質的鹽析中，以硫酸銨、硫酸鈉應用最廣。雖然磷酸鹽的鹽析效果比硫酸銨好，但硫酸銨的最大優點是溫度系數小，溫度的變化引起溶液性質的改變不大，且其溶解度大，應用于許多蛋白質和酶的鹽析時，對蛋白質和酶變性的影響較小，并且硫酸銨價格低廉。硫酸銨用于蛋白質鹽析時，最大的缺點是除了緩沖能力較小外，還由于含氮，因此影響到蛋白質的定量分析。硫酸鈉由于不含氮，因此不影響蛋白質的定量測定，但其缺點是在30以下溶解度，需在30以上操作效果才好，不利于保持酶的活性。（三） 影響鹽析效果的因素1. 蛋白質濃度蛋白質濃度高，鹽的用量少，但如果各種蛋白質的KS值比較接近，會發生比較嚴重的共沉作用；蛋白質濃度過低時，鹽的用量增大，但共沉作用小，選擇性較好。2. 離子強度和離子類型采用低離子強度先分離出一種蛋白質，再逐漸增加離子強度，分離出第二種乃至更多種蛋白質，這就是分析鹽析法。3. 離子類型通常認為離子半徑小，帶較高電荷的離子鹽析效果較好，離子半徑大、帶低電荷的離子鹽析效果較差。4. pH值一般選擇在兩性分子的等電點處的pH值下進行。5. 溫度在低離子強度下，蛋白質的溶解度隨著溫度升高而增大；在高離子強度下，則隨著溫度的升高而下降。對于酶類，鹽析時應在較低溫度下操作，以最大限度保持酶的活性。（四） 鹽析后的脫鹽處理常用的脫鹽處理方法：透析法、電滲析法和葡聚糖凝膠過濾法。（五） 硫酸銨飽和度的調整方法當鹽析要求飽和度高而又不宜增大溶液的體積時，可直接加入硫酸銨固體鹽；當鹽析要求的飽和度不高，又必須防止濃度過高時，通常是采用加入飽和硫酸銨溶液法。第三節 有機沉淀劑沉淀分離法一、 基本原理及其特點無機沉淀劑沉淀分離法的最大缺點就是分離的選擇性和靈敏度都比較差。與無機沉淀劑相比，有沉淀劑的優點在于：選擇性比較高，即一定濃度的有機沉淀劑只沉淀分離某一種或某一類溶質組分。沉淀后所得產品不需脫鹽，殘留的沉淀劑通過揮發而易去除。有機沉淀劑的缺點是對某些具有生物活性的大分子物質如酶類具有失活作用，因而常常需要低溫下操作。有機沉淀分離法之所以能將溶質如酶和蛋白質等從溶液中沉淀出來，主要原因在于：有機溶劑改變了溶液的介電常數。脫水作用。二、 有機沉淀劑的選擇（一） 沉淀金屬離子的有機沉淀劑主要有生成螯合物的有機沉淀劑、生成離子締合物的有機沉淀劑，生成三元絡合物的有機沉淀劑。常見有：羥基肟類，氨基酸類。（二） 沉淀有機成分的有機沉淀劑食品中蛋白質和酶的沉淀多用乙醇，雖然甲醇、丙酮也能使用主，但甲醇、丙酮都有一定的毒性。乙醇還可以作為核酸、核苷酸、氨基酸、果膠等成分的沉淀劑。（三） 影響沉淀效果的因素1. 金屬離子當溶液中有一些金屬離子存在時，能降低大分子溶質的溶解度，同時不影響目標成分的生物活性，可使有機溶劑的用量減少。如Zn2、Ca2在一定的pH條件下能與呈陰離子狀態的質形成復合物，這種復合物在水和有機溶液中的溶解度明顯降低。2. 鹽的濃度溶液太大或太小，對溶液都有不良的影響。沉淀蛋白質和多糖時，有機溶劑中鹽的濃度以不超過5%為宜。3. 溶質相對分子質量與有機溶劑用量一般來說，待分離組分的相對分子質量越小，有機溶劑的用量越多。不同濃度的有機溶劑能使溶質中不同的組分先后沉淀，因而能直到分步沉淀的效果。4. 溫度在有機溶劑存在時，蛋白質的溶解度隨著溫度降低而降低。低溫對于提高沉淀效果是比較有利的。5. pH值對于兩性電解質，選擇其等電點處的pH值可最大限度地進行溶液。第四節 等電點沉淀分離法一、 等電點沉淀分離的基本原理等電點沉淀分離法主要是利用兩性電解質分子在電中性時溶解度最低，不同的兩性電解質有不同的等電點而進行分離的一種方法。能使兩性電解質處于電荷為零的pH值，即為兩性電解質的等電點pI。二、 蛋白質的等電點沉淀分離通常在偏酸性溶液中帶正電，在偏堿性溶液中帶負電。蛋白質在其等電點處的凈電荷為零，因而容易相互聚集成為較大的顆粒而沉淀。“堿提酸沉”法分離大豆蛋白，脫脂豆粉蛋白質大部分能溶于稀堿（pH9.09.1）溶液中，用稀堿溶液將大豆蛋白最大量地浸提出來，然后離心除去不溶性成分，用HCl溶液調整溶液的pH值至4.3左右，使蛋白質在等電點狀態下沉淀。第五節 其他沉淀分離技術一、 變性沉淀分離法1. 變性沉淀分離的原理利用生物大分子對物理、化學等外部環境因子敏感性的差異而選擇性地使一種組分發生變性形成沉淀，而讓另一些組分保持不變性，這樣就可以達到分離和除雜、提純的目的。2. 酶和蛋白質變性的概念及影響因子蛋白質的變性通常是指二、三、四級結構發生變化，從而導致蛋白質物理、化學性質的改變及生物功能的改變，變性不涉及一級結構的破壞。如果變性因子去除后，變性了的生物大分子能恢復原來的基本構象，其性能也與變性前相差不大時，此種變化稱為可逆變性。相反則稱為不可逆變性。影響蛋白質變性的因子包括溫度、pH值以及其他的化學因子。(1) 溫度在較高溫度的作用下，使得維持蛋白質二級、三級和四級結構的弱鍵發生了斷裂，破壞了肽鏈原來特有的排列和空間結構，使原來在大分子內部的極性基團轉到分子的表面，促進了蛋白質分子的相互凝集而沉淀。(2) pH值大部分蛋白質在pH410的范圍內是比較穩定，超過這個范圍就會發生變化。變性的原因在于酸堿的作用使蛋白質分子內的基團帶電性質發生了變化，從而破壞了靜電引力所形成的鍵，導致原來構象發生了變化。每一種酶都有一個活性表現最大的pH值，稱為酶的最適pH值。(3) 其他化學因子包括酸類、醇類、酰胺類、二脲、鹽酸胍、氯仿、酚、表面活性劑等。與蛋白質高度結合，可將蛋白質的亞基拆散從而引起蛋白質變性。酶的作用，常常也使得蛋白質變性沉淀而得到分離。如凝乳酶對牛乳中的酪蛋白作用，可使之成為干酪而得以分離。3. 蛋白質變性后性質的改變(1) 生物活性喪失(2) 物理化學性質改變4. 變性沉淀分離的方法(1) 熱變性沉淀分離利用各種蛋白質對熱穩定性不同的特點，使蛋白質組分之間得以分離，同時使蛋白質與水及其他可溶性物質分離開來，此法常用于組織化植物蛋白生產。腐竹的生產是利用大豆蛋白質分子的熱變性原理進行的。熱變性時，大豆蛋白質分子間通過其副價鍵聚集而形成蛋白質聚合體，在豆漿煮沸的溫度下，大豆蛋白進一步膠粘聚集成膜，疏水性增加，最后從溶液中分離出來。(2) 選擇性的酸堿變性沉淀分離利用酸堿變性原理，調節溶液pH值，可以有選擇地除去雜蛋白，有利于提高酶制劑的比活和純度。此方法在生化制備中經常使用。(3) 利用酶作用進行變性分離凝乳酶催化牛乳酪蛋白的沉淀。在凝乳酶的作用下，牛乳形成凝塊或凝膠的過程分兩步：凝乳酶首先把酪蛋白部分降解改性，然后，經過改性了的酪蛋白聚集成膠束并進一步形成凝膠而沉淀。(4) 利用表面活性劑或有機溶劑引起變性在制備核酸時，可加入含水酚、氯仿以及十二烷基磺酸鈉等試劑，可有選擇地使蛋白質發生變性沉淀，達到去除雜質、提純核酸的目的。二、 生成鹽類復合物沉淀分離法生物大分子都可以生成鹽類復合物，此類鹽類復合物溶解度很低，易于沉淀析出而得以分離。(1) 金屬復合鹽法(2) 有機鹽法苦味酸、苦酮酸、單寧、茶多酚（包括兒茶素）等可與蛋白質形成復合鹽類并沉淀而得以分離。(3) 無機鹽法三、 非離子型聚合物沉淀分離法沉淀劑主要有聚乙二醇（PEG）。廣泛用于細菌、病毒、核酸、蛋白質和酶的沉淀分離。PEG在濃度達20%時，粘度仍不大，同時對蛋白質有保護作用，分離的選擇性又比硫酸銨、丙酮的分離效果好，有時甚至可以與凝膠過濾相比，加上操作方法簡單，可處理量大。沉淀機理的幾種解釋：認為沉淀的產生是由于聚合物與大分子共沉而形成沉淀。聚合物與生物大分子以氫鍵結合形成復合物而沉淀。聚合物與生物大分子爭奪水分子，水分子在生物大分子以及聚合物之間發生重新分配，生物大分子產生脫水而沉淀。聚合物對生物大分子的空間排斥作用，使生物大分子被聚集在一起而引起沉淀。優點：操作條件溫和，不會引起生物大分子的變性。具有較高的沉淀分離效果，成本低。沉淀分離的選擇性較好，用不同的濃度可沉淀不同的組分，因而分段分離的選擇性較好。沉淀后的多聚物易于去除，也可以回收。用PEG沉淀生物大分子時，其效果與如下因素有關：沉淀劑的相對分子質量越大，沉淀效果越好，但聚乙二醇相對分子質量超過20000時，由于粘性太大而不易操作，一般使用的相對分子質量是20006000左右。生物大分子的相對分子質量越大，沉淀效果越好，若低于20000，效果不明顯。生物大分子的濃度如太稀時，效果也不明顯，但蛋白質濃度太高，各組分之間的互相作用系數也越大，反而影響分離效果，所以以小于10mg/mL為宜。當溶液中的離子強度大時，使用的沉淀劑的濃度可明顯降低。也就是說，有其他離子的存在，可提高PEG的分離效率。當生物大分子處于等電點狀態時，使用的沉淀劑濃度也會有明顯的降低，即在兩性分子的等電點下，PEG的分離效果得到提高。第三章 超臨界流體萃取技術第一節 概述一、 超臨界萃取及超臨界流體的概念超臨界萃取是以臨界流體作為萃取劑，在臨界溫度和臨界壓力附近的條件狀態下，從液體或固體中萃取出待分離的組分，又稱為壓力流體萃取，越臨界氣體萃取、超臨界溶劑萃取等。超臨界流體是指處于超過物質本身的臨界溫度和臨界壓力狀態時的液體。穩定的純物質都具有固定的臨界點，包括臨界壓力pc、臨界溫度Tc和臨界密度c。對于稍為超過其臨界點即在臨界點附近的超臨界流體，操作溫度或壓力的微小變化，都會引起流體密度的很大變化，同時會引起其溶解能力的變化。因此，利用超臨界流體的此種特性，在高密度條件（低溫、高壓）下，溶解也所需要的組分，然后改變操作條件（提高溫度或降低壓力），在低密度條件下將萃取出來的成分與萃取劑分離，從而實現整個分離過程。二、 超臨界流體萃取技術的發展現狀第二節 超臨界流體萃取的基本原理及特征一、 超臨界流體的基本性質（一） 超臨界流體的臨界點二氧化碳是最常用到的超臨界萃取介質，這是因為它的臨界溫度（31.1）最接近常溫，臨界壓力約為7.38MPa，容易達到，并且具備了無毒無臭和防氧化及來源方便等優點，因此是最常用的萃取劑，在食品行業中尤其重要。一般地說，操作溫度是高出流體臨界值的10100，壓力為530MPa。（二） 超臨界流體的性質超臨界流體在密度上接近于液體，因此，對固體、液體的溶解度也與液體相接近，密度越大，溶解能力也越強。又由于超臨界流體在粘度上接近于氣體，擴散系數比液體大100倍，因此，滲透性極佳，能夠更快地完成傳質過程而達到平衡，實現高效的分離過程。（三） 超臨界流體的溶解能力超臨界流體的溶解度隨密度的增大而增大。根據“相似相溶”的原則，選用的超臨界流體在化學性質上與待分離組分的性質越相似時，超臨界流體對分離組分的溶解能力就越大。二、 超臨界液體萃取的特征(1) 超臨界流體的溶解能力隨著其密度的增大而提高。(2) 在接近臨界點處只要溫度和壓力有微小的變化，超臨界流體的密度和溶解度都會有較大變化。(3) 萃取過程完成后，超臨界流體由于狀態的改變，很容易從分離成分中脫除，不給產品和食品原料造成污染。(4) 超臨界流體萃取技術中所選用的萃取劑，其臨界溫度不過高也不過低，并且化學性質穩定，具有無腐蝕性。(5) 超臨界流體萃取技術屬于高壓技術，需要相應的高壓設備。三、 超臨界液體的選擇超臨界流體萃取的工藝過程中，對超臨界流體的要求，第一是具有良好的溶解性能，第二還要求其具備良好的選擇性。提高超臨界流體選擇性的原則有兩條：工藝中的操作溫度與超臨界流體的溫度接近；超臨界流體的化學性質與待萃取成分的化學性質相似。對于超臨界流體的具體要求，還有如下幾點：作為超臨界流體的萃取劑，應該是化學性質穩定，無毒性和無腐蝕性，不易燃和不易爆。超臨界流體的操作溫度就接近于常溫，以節約能源，并使操作溫度低于待分離成分的分解溫度。超臨界流體的操作壓力就盡可能的低，以降低壓縮機的動力消耗。對于待分離成分要有較高的選擇性和較高的溶解度。來源廣泛，價格便宜。以CO2最為常用，對食品分離尤為重要，是因為：CO2的臨界溫度為常溫（31.4），操作溫度接近于常溫，對熱敏性的食品原料無破壞性作用。CO2的臨界壓力為7.4MPa，比較容易達到。CO2的化學性質穩定，不燃燒、不爆炸、無腐蝕性。CO2無色、無毒、無臭，對于食品和醫藥等行業無污染之慮。CO2具有防氧化和抵制好氣性微生物活動的作用，因此食品物料在分離過程中不易腐變，對分離過程有利。CO2容易提到較純的產品，來源方便，價格便宜。第三節 超臨界流體萃取的工藝流程及在食品工業中的應用一、 超臨界流體萃取的典型流程超臨界液體萃取過程分萃取和分離兩個階段。在萃取階段，超臨界流體有最大的密度，對待分離組分有最大的溶解度，因而能將所需組分從物料中萃取出來。在分離階段，超臨界流體的密度變化到最小，對其中已萃取出來的組分溶解度也最小，使之析出而實現分離。根據對過程中超臨界流體密度調控的方法不同，上述過程可分為等溫變壓法、等壓變溫法、吸附法3個基本流程。1. 等溫變壓法通過壓力的變化引起超臨界流體密度的變化，使得組分從超臨界流體中析出分離。萃取劑經壓縮達到最大溶解能力的狀態點（即超臨界狀態）后加入到萃取器中與物料接觸進行萃取。當萃取了溶質的超臨界流體通過膨脹閥進入分離槽后，壓力下降，超臨界流體密度也下降，對其中溶質的溶解度跟著下降。溶質于是析出并在槽底部收集取出。釋放了溶質后的萃取劑經壓縮機升溫加壓后再送回萃取槽中循環使用。2. 等壓變溫法超臨界流體的壓力保持一定，而利用溫度的變化，引起超臨界流體對溶質溶解度的變化，從而實現溶質與超臨界流體的分離的過程。降溫升壓萃取劑，處于超臨界狀態，被送入到萃取槽中與物料接觸進行萃取。然后，萃取了溶質的超臨界流體經加熱器升溫后在分離槽析出溶質。作為萃取劑的氣體經冷卻器等降溫升壓后送回萃取槽循環使用。3. 吸附法將萃取了溶質的超臨界流體，再通過一種吸附分離器，這種吸附分離器中裝有吸吸附溶質而不吸附萃取劑的吸附劑。當萃取了溶質的超臨界流體通過這種吸附分離器后，溶質便 與萃取劑即超臨界流體分離，萃取劑經過壓縮后循環使用。二、 超臨界流體萃取技術在食品工業中的應用1. 植物油的提取2. 咖啡豆和茶葉中咖啡堿的提取(1) 水洗流程CO2將咖啡堿萃取出來后，在水洗塔用水洗脫，使咖啡堿轉入水相，CO2則循環使用。水相中的咖啡堿可用蒸餾法分離。(2) 吸附流程萃取了咖啡堿的CO2經過活性炭柱，其中咖啡堿被活性炭吸附而與CO2分離，經解吸后即得到咖啡堿，而CO2則回到萃取器中循環使用。3. 啤酒花有效成分的提取4. 處理食品原料5. 去除煙草中的尼古丁6. 從木漿廢液中提取香草醛7. 生化制品及天然產物的分離提取第四章 反相微膠團萃取與雙水相萃取技術第一節 反相微膠團萃取技術一、 反相微膠團的概念及分離原理（一） 反相微膠團萃取的概念在水溶液中形成膠體或微膠團，是由于表面活性劑中極性基團定向排列的結果。由于在水溶液中加入表面活性劑而形成的膠體中，表面活性劑的極性基團（即疏水性部分）則靠內而互相聚集成一種微膠團。如果溶劑為非極性液體，當加入表面活性劑到一定濃度時，由于表面活性劑的極性和非極性基團的定向排列，也會形成微膠團結構。但是這種微膠團結構與上述的微膠團結構相反，表面活性劑的非極性基團部分朝外，即朝向非極性溶劑部分，而極性基團部分則朝內，因而形成一種與水相微膠團結構反向的聚集體，這種聚集體就稱為反相微膠團。在反相微膠團中，表面活性劑的極性基團部分圍成一個極性核心，稱為水池。這個水池包括表面活性劑的極性基團內表面和其中的水分，以及溶解于水中的離子等。具有親水性的生物大分子就可以溶解于水池中的水分而被以微膠團的形式萃取出來。將待分離組分以微膠團的形式進行萃取的過程，稱為微膠團萃取或膠團萃取，如果待分離組分是崒反相微膠團的形式被萃取，就稱為反相微膠團萃取。（二） 反相微膠團萃取的原理在反相微膠團萃取過程中，蛋白質或酶等生物大分子主要以水殼的形式存在于反相微膠團中的極性核心部分，能避免與有機溶劑的直接接觸，因而可以盡量保持整個萃取過程中生物大分子活性不喪失，這樣就實現了既能溶出酶及蛋白質等生物大分子，又能與水分相分離，并盡可能地保存了這些生物大分子的生物活性。關于蛋白質及酶等生物大分子是以何種形式被反相微膠團牟機理，有三種不同的見解：水殼模型：在反相微膠團中，由表面活性劑的極性部分圍成一個中心，中心為水等極性溶劑占有，生物大分子就溶解于其中，并且在生物大分子周圍包膜著一層水殼，對生物大分子起保護作用。生物大分子雖然溶解于由表面活性劑極性部分圍成的中心，但在中心部分生物大分子是以被吸附的狀態附著于膠團的極性壁上。生物大分子的極性部分與多個微膠團的非極性部分連接，由此形成生物大分子溶解于多個微膠團之間的一種狀態。二、 影響反相微膠團形成的因素1. 表面劑和溶劑的種類表面劑要形成反相微膠團，在溶劑中的濃度必須達到一定值，否則就不能形成微膠團，這個形成微膠團所必需的最低濃度值，叫做表面活性劑形成微膠團的臨界濃度（CMC）。最常用的表面活性劑為丁二酸二異辛酯磺酸鈉（AOT），溶劑通常為異辛烷。2. 水相的酸堿度反相微膠團內水相的酸堿度，主要影響到生物大分子的荷電性，進而影響到生物大分子與反相微膠團的結合。因為AOT屬于陰離子型表面活性劑，其親水部分帶負電荷，形成的反相微膠團內表面帶負電。當反相微膠團內水相的pH值小于生物大分子的等電點pI時，可使生物大分子帶正電，這樣生物大分子可與反相微膠團中帶負電性的內表面相吸，形成比較穩定的含生物大分子的反相微膠團，可以較容易地進行萃取。3. 水相中離子強度反相微膠團中的水相的離子強度對反相微膠團萃取的影響，可以用鹽溶和鹽析現象來解析。在低離子強度下，酶和蛋白質等生物大分子表面上的荷電性和親水性得到了改善，溶解度上升，與反相微膠團內表面的結合力增強。當水相中的離子強度增加到一定程度時，由于抵消了生物大分子表面上的電荷，并且由于離子的水化作用而使蛋白質分子表面上的水膜消失，減少了與反相微膠團內表面的結合作用，從而降低了溶解度，使分離效率降低。4. 0值的大小反相微膠團中的水分含量通常用非極性溶液中的水濃度和表面活性劑濃度比0來表示。0越大，反相微膠團內的水分含量就越多，形成的反相微膠團的半徑就越大。能溶解水溶性成分的量就越多。三、 反相微膠團分離方法反相微膠團分離過程分兩步：第一步是含生物大分子的反相微膠團的形成，第二步是反相微膠團的破乳及生物大分子的釋放。形成含生物大分子的反相微膠團的方法：1. 相轉移法通過將含生物大分子的水相與溶解有表面活性劑的有機相接觸，緩慢地攪拌。2. 注入法通過將含有生物大分子的水溶液注入含有表面活性劑的有機相中。3. 溶解法對于固體粉末中含有生物大分子，或不溶于水的生物大分子，可采用溶解法進行。先制備好含水的反相微膠團的有機溶液，然后把含生物大分子的固體粉末加進此種反相微膠團的有機溶液中，同時攪拌，生物大分子慢慢地即可進入到反相微膠團內的水中心而實現萃取過程。制備了含生物大分子的反相微膠團后，可參考液膜分離的方法，將混合液送入到澄清器中，使反相微膠團與外相的機溶劑分離。然后對溶解有生物大分子的反相微膠團進行破乳以其中的生物大分子，破乳的原理和方法有化學破乳和物理破乳等。四、 影響反相微膠團萃取效果的因素1. 水相pH值pH值對萃取率的影響主要體現在改變蛋白質的表面電荷上。當pHpI時，表面帶負電荷，而AOT是一種陰離子表面活性劑，它的形成的反相微膠團的內表面帶負電荷，由于蛋白質表面的負電荷與反相微膠團表面電荷之間的排斥作用，使蛋白質的萃取率幾乎為零。在pHpI時，蛋白質表面帶正電荷，這時蛋白質表面與反相微膠團內表面之間的吸引力，蛋白質的萃取率接近100%。2. 鹽濃度鹽濃度（離子強度）對蛋白質萃取的影響來自兩方面：離子強度增大時，反相微膠團內表面的雙電層變薄，使蛋白質表面與反相微膠團表面間的靜電引力下降；反相微膠團內表面的雙電層變薄后，也減小了表面活性劑極性頭之間的斥力，從而使反相微膠團變小。3. 蛋白質相對分子質量當蛋白質相對分子質量大于30000時，最大萃取率小于60%。4. 陽離子種類陽離子種類對萃取的影響主要體現在改變反相微膠團內表面的電荷密度上。通常反相微膠團中表面活性劑的極性部分不會是完全電離的，有很大一部分陽離子仍在膠團的內表面上。極性部位的電離程度越大，反相微膠團內表面的電荷密度越大，產生的反相微膠團也越大。第二節 雙水相萃取技術一、 雙水相體系概念把兩種或兩種以上具有一定濃度的親水性聚合物溶液混合后靜置，這些親水性高分子聚合物并不混為一相，而是分成多個液相，這種現象稱之為聚合物的不相容性。由于這些聚合物都是以水作為溶劑的，因此形成上述的兩個相體系就稱為雙水相體系。利用雙水相的成相現象及待分離組分在兩相間分配系數的差異，進行組分分離或提純的技術就叫做雙水相萃取技術。聚合物的不相容性主要是由于聚合物分子間的空間阻礙作用，使互相之間無法滲透而分離成多相。二、 雙水相萃取的特點及其應用雙水相萃取技術主要應用于生物大分子的分離和提純，如酶、蛋白質、核酸、病毒和細胞等。因為此種分離技術對于生物大分子的活性具有良好的效果。雙水相分離技術中的聚合物多數為聚乙二醇類大分子。在生化分離中應用得較多的為聚乙二醇（PEG）/萄取糖（DEX）和聚乙二醇（PEG）/無機鹽體系。雙水相萃取技術具有如下幾個特點：(1) 體系的含水量多達70%90%，兩相界面的張力極低，有助于保持學生物質的活性和相間的質量傳遞。(2) 上下相密度差小，一般為102g/cm3左右，是水的密度的百分之一。(3) 分相時間短，對于聚合物/無機鹽體系，分相時間為515min；對于聚合物/聚合物體系，自然分相時間為560min。(4) 雙水相萃取易于連續操作和工程放大，可直接線性放大40000倍。(5) 雙水相萃取處理容量大，能耗低。成本主要消耗在聚合物的使用上，而聚合物可循環使用，因此生產成本較低。利用雙水相萃取技術從微生物破碎細胞中分離多種酶的結果表明：(1) 大多數情況下，目標產物的回收率高于90%。(2) 目標產物的分配系數多在120范圍，一般大于3。(3) 大量雜質蛋白能夠與所有固體物質一起被去除，與其他常用固液分離方法相比，雙水相萃取法可省去一到兩步過程。三、 影響組分在雙水相系統中分配的主要因子1. 聚合物的相對分子質量聚合物的相對分子質量的增加，生物大分子或顆粒在該聚合物相中的分配系數會下降。對于相對分子質量大的蛋白質，PEG相對分子質量的增加對其分配系數的影響比對相對分子質量小的蛋白質的影響更大。PEG的相對分子質量磊的細胞碎片的分配行為影響也非常顯著。2. 成相溶液的濃度當成相溶液的濃度接近于臨界點時，可溶性組分如蛋白質等，會均勻地分配于兩相之中；當該濃度遠離臨界點時，蛋白質則走向于一側分配。當聚合物濃度增加時，細胞器、細胞碎片等顆粒物質通常更走向于相界面分配。3. pH值pH值對組分在雙水相分配行為的影響較為復雜。主要是pH值的變化能夠影響蛋白質中可解離基團的離解度，使得蛋白質表面所帶電荷量發生改變。4. 無機鹽在PEG/DEX體系中，加入無機鹽會使兩相間形成電位差，這對屬于兩性電解質的生物大分子如蛋白質、酶和核酸等的分配行為產生很大影響。加入適當的鹽類可促進帶相反電荷蛋白質組分的分離，但是隨著鹽濃度的增加，這種作用。當鹽濃度很大時，由于鹽析作用，蛋白質易于分配于上相，分配系數幾乎隨著鹽濃度的成對數地增大。對于PEG/無機鹽體系，鹽濃度的增加會使下相體積增大，也使細胞碎片趨于向PEG相分配。5. 溫度溫度的變化可以改變相的組成。溫度升高時，兩相中蛋白質的分布趨于一致。增加聚合物的濃度，可以使溫度作用降低或消失。四、 聚合物和鹽的回收再利用對于PEG循環使用的最好辦法是：直接重復利用一級萃取時的終了PEG相。如果目標產物在PEG相中，則在PEG相加鹽形成新的雙水相，反萃取使得PEG與目標產物分離。但此法的不足之處在于：由于反復的使用，PEG相中可能含有大量的蛋白酶和其他雜質，這對目標產物的分離不利。此外回收聚合物的方法還有：超濾法、離心法、清洗法、酶沉淀法、離子交換吸附法等。鹽的回收：最常用的是通過冷卻鹽相至6，使得鹽結晶析出，然后用離心或過濾等方法收集；也可用電滲析的方法回收鹽類以及對PEG相除鹽。五、 雙水相萃取技術的新發展1. 雙水相萃取與細胞破碎過程相結合2. 親和雙水相萃取3. 雙水相萃取與膜分離相結合4. 使用帶配基的吸附劑微粒特異性吸附待分離的生物大分子5. 雙水相萃取與生物轉化相過程相結合第五章 膜分離技術第一節 概述一、 膜分離技術的發展二、 膜分離技術的原理用天然或人工合成的高分子膜，以外加壓力或化學位差為推動力，對雙組分或多組分的溶液進行分離、分組、提純和富集的方法，統稱為膜分離法。用半透膜把容器隔開，膜的一側是溶液，另一側是純水，或者膜的兩側是濃度不同的溶液。小分子溶質透過膜向純水側移動，而純水透過膜向溶液移動，此種現象稱為滲析（或透析）。如果僅有溶液中的溶劑透過膜向純水側移動，而溶質不透過膜，這種分離現象稱為滲透。只能使溶劑或溶質透過的膜稱為半透膜。如果半透膜只能使某些溶質或溶劑透過，而不能使另一些溶質溶劑透過，稱之為膜的選擇透過性。屬于滲析的分離方法有：電滲析、壓滲析、滲析、熱滲析；屬于滲透的分離方法有：電滲透、反滲透、滲透、熱滲透。引起上述分離的推動力各有不同，有電位差、壓力差、濃度差、溫度差。三、 膜分離技術的分類按膜的不同可分固膜及液膜兩大類。固膜包括：氣體滲透、反滲透、超濾、滲析、電滲析。液膜包括：液膜、固定液膜。氣體滲透的推動力為分壓差。反滲透的推動力為壓力差（110MPa）。超濾的推動力是壓力關（0.11MPa）。滲析的推動力為濃度差。電滲析的推動力為電位差。液膜分離法是利用液體把被分離物包裹成乳化型液膜而被分離。四、 膜分離技術的特點膜分離技術一般在常溫下操作，不需要加熱，被分離的物質能保持原來的性質，能保持食品原有的色、香、味、營養和口感；能保持生物物質的活性。其選擇性強，操作過程簡單，適用范圍廣。五、 膜的分類和性質常用的膜分為微孔膜、非多孔性膜、非對稱膜（包括醋酸纖維素膜、芳香聚酰胺膜、聚砜膜等）、離子交換膜等固相膜以及液膜。1. 微孔膜分無機物與高分子聚合物兩類。一類是由氧化鋁、氮化硅、碳、鎢、鎳、鋁及多種有機高分子等微細粉末在高溫下燒結而成，用于氣體、液體中微粒分離。另一類是由纖維素的聚合物制成，用于微孔過濾或超濾。2. 非多孔性膜又稱均質膜，其結構較為致密。其特點為分離系數較高，但滲透系數較低。主要有硅橡膠膜，適用于氣體分離和滲透蒸發，用于氣調保鮮有較好的效果。3. 非對稱膜是一種復合膜，由極薄的活化皮層和較厚的多孔支撐層組成，由同一材料或不同材料復合而成。皮層的分離特性與滲透性能均較好，用作超濾和反滲透膜。(1) 醋酸纖維膜（CA）(2) 芳香聚酰胺膜(3) 聚砜膜4. 離子交換膜是一種帶電基團的聚合膜，分陽離子交換膜和陰離子交換膜。陽交換膜帶有陽離子交換基團，帶負電荷，能選擇性地吸附陽離子并使之通過，對陰離子則產生排斥現象。與之相反，陰離子交換膜帶有陰離子交換基團，帶正電荷，能選擇性地吸附陰離子，并使之通過而排斥陽離子。離子交換膜主要用于電滲析。常用的有聚乙烯膜或聚氯乙烯膜。陽離子交換基團為磺酸和磷酸型，陰離子交換基團為季胺、叔胺和仲胺等。5. 液膜按使用條件不同，分液體表面活性劑膜和多孔聚合物固定液膜兩種。(1) 液體表面活性劑膜由溶劑、表面活性劑和添加劑組成。溶劑分油溶性溶劑和水溶劑兩大類。表面活性劑有促進膜過程乳化和選擇性分離作用。添加劑包括載體和膜穩定劑等。載體的作用是使分離組分與載體在液膜的一端形成結合體，然后在液膜中擴散，及至擴散至液膜的另一側時將分離組分釋放，載體再返回與其他分離組分結合。載體的類型依據分離組分的特點來選擇。膜穩定劑的作用為提高膜的穩定性。此外尚有增稠劑。成膜的方法是：將成膜劑倒入分離液中，高速攪拌使之乳化，乳化液外層即為液膜，液膜分油包水型和水包油型兩類。水溶性分離液采用油溶性成膜劑，乳化后形成油包水型液膜；油溶性分離液則采用水溶性成膜劑，形成水包油型液膜。(2) 多孔聚合物固定液膜采用多孔聚合物如微孔聚丙烯薄膜等作為固定膜，然后用有機膜液體將其孔隙填充，制成多孔聚合物固定膜。這種液膜幾何構型穩定，可直接用連續分離過程。按膜的材料不同，固相膜可分為纖維素酯類和非纖維素酯類膜。按膜斷面的物理形態，可將膜分為對稱膜、非對稱膜和復合膜。對稱膜又稱為均質膜。非對稱膜指膜的斷面不對稱，這種膜具有極薄的表面活性層（或致密層）及其下部的多孔支撐層。復合膜是用兩種不同的膜材料，分別制成表面活性層和多孔支撐層。按膜的形狀，可將膜分為平板膜、管式膜和中空纖維膜。按膜的制備方法，有澆鑄膜，又稱流涎膜，常用于非對稱膜和復合膜多孔支撐層的制作。除些之外，還具有標準孔徑的核徑跡蝕刻膜和經拉伸成孔的拉伸膜，這兩種膜用于微孔過濾和超濾等過程。按孔徑大小來劃分，孔徑在0.00010.001m的稱為反滲透膜；孔徑在0.0010.1m的稱為超濾膜；，孔徑在0.110m的稱為微孔膜。孔徑的測定可用最大氣泡點法、標準尺寸粒子法或細菌過濾法測定。第二節 反滲透分離技術一、 反滲透膜的透過機理（一） 氫鍵理論及結合水空穴有序擴散模型在醋酸纖維素膜中，由于氫鍵和范德華力的作用，大分子之間是牢固結合的，形成晶相區域和非晶相區域。在非晶相區，水與醋酸纖維素羰基上的氧原子形成氫鍵，形成所謂的“結合水”。當醋酸纖維吸附了第一層水分子后，會引起水分子熵值的極大下降，類似于冰的構造。與醋酸纖維不能形成氫鍵的離子或分子不能透過結合水區域，而能和膜產生氫鍵的中分子（如水、酸等）可以進入結合水區域，并進行遷移通過膜。在壓力作用下，溶液中的水分子和醋酸纖維素的羰基上的原子形成氫鍵，而原來水分子間形成的氫鍵被斷開，水分子解離出來和羰基上的原子形成氫鍵。這樣連續的氫鍵形成與斷開，使水分子進入膜的多孔層，由于多孔層含有大量的毛細管水，水分子能暢通流出膜外。這種離子或分子的遷移稱為孔穴擴散。（二） 優先吸附毛細孔流理論當溶液與高分子多孔膜接觸時，如果膜的化學性質使膜對溶質負吸附，對水優先吸附，那么在膜與溶液界面附近的溶質濃度會急劇下降，在界面上形成被吸附的純水層，由于壓力作用將其通過膜表面的毛細孔，即可獲得純水。當膜表面毛細孔徑為純水層的2倍時，每個毛細孔就得到最大的流量純水，此時該毛細孔徑稱為“臨界孔徑”。（三） 溶解擴散理論溶劑與溶質透過膜的機理是由于溶劑與溶質在膜中的溶解。在化學位差的推動力作用下，使之透過膜。（四） 反滲透膜的其他透過理論(1) 擴散細孔流理論膜表面存在細孔，水和溶質能通過細孔，并在溶解、擴散的雙重作用下透過膜。(2) 自由體積理論聚合物在自由體積是系指無水時未被高分子占據的空間。水的自由體積是指水溶脹時膜中純水所占的空間。水可在膜的自由體積中遷移，而鹽只能在水的自由體積中遷移，多而使膜具有選擇透過性。(3) 離子性膜的透過機理二、 反滲透分離原理一個容器中間用半透膜分隔為兩部分，一邊是水，一邊是溶液。當兩邊液體上部壓力p1p2時，由于水的化學勢1大于溶液的化學勢2，引起水向溶液方向滲透。如果增加溶液上方壓力p2，當p2與p1之差等于某一數值時，水就不會向溶液方向滲透，溶液中的水也不會作反向滲透，兩邊處于滲透平衡狀態。這時p2p1稱為溶液的滲透壓。當p2繼續增大，使p2p1時，則溶液一側的水就會透過半透膜向水側方向滲透。此時水滲透方向正好與上述過程的方向相反，稱為反滲透。這會使溶液中的水分子與溶質分離，溶液不斷地增濃。利用反滲透原理就可將溶液的不同組分分離。要進行反滲透分離，就必須向溶液施加一個比溶液滲透壓大的壓力，同時選擇一個滲透選擇性能良好的半透膜。反滲透是在常溫和大氣壓下收集透過膜的產物。產物中富集了混合物中一種或多種組分，而在高分壓側留下其他組分的濃縮溶液。反滲透方法適用于無機或有機物質的水溶液或非水溶液的分離。利用溶劑或溶質對膜的選擇性滲透原理。在反滲透過程中雖然與膜的微孔孔徑大小有一定的關系，但主要的是受膜材料的化學性質影響，主要決定于膜的選擇性。當膜表面孔直徑小于溶劑分子或溶質分子直徑時，溶質依然可以分離。這說明篩分過濾原理對反滲透是不適用的。三、 反滲透分離溶質的物理化學準則（一） 溶質、溶劑、聚合物的相互作用（二） 分離有機溶質的物理化學準則（三） 分離無機溶質的物理化學準則四、 反滲透分離溶質的影響因素五、 反滲透基本遷移議程六、 影響反滲透操作的因素(1) 濃度差極化當溶質不透過膜（或只有少量透過）面溶劑卻透過膜發生遷移時，在溶液與膜的界面上，溶質逐漸積累。當其濃度超過主體液濃度時，產生了界面與主體液之間的濃度梯度，引起溶質從界面向主體液擴散，這種現象稱為濃度差極化。其結果會引起滲透壓增加，這就使有限的操作壓力減少，引起透過通量減少。濃度差極化現象主要由界面溶液的邊界層厚度來控制。一般可以通過提高主體溶液的流速，或增加其湍流程度來減輕濃差極化現象的影響。(2) 膜的壓實當反滲透壓力較高時，會使膜產生變形，不透過物在膜表面沉積而被壓實，影響透過的通量。改進的方法為提高膜的機械強度，減少膜的變形。同時定期進行反沖洗，恢復膜原有的孔隙。(3) 膜的降解膜的降解包括化學降解和生物降解兩種。可通過選用化學性能穩定的膜材料解決化學降解問題。生物降解是微生物在膜上繁殖的結果，可用清洗可消毒的方法處理，如用甲醛溶液對膜進行消毒。(4) 膜的結垢垢主要由懸浮物、離子化合物或鹽類物質構成。懸浮物可通過預處理除去，離子化合物或鹽類物質可通過添加螯合劑除去。七、 膜材料目前工業上應用膜材料主要有