泡沫分离技术在食品工业中的应用

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0引言

泡沫分离又称泡沫吸附分离技术，是以气泡为介质，以各组分之间的表面活性差为依据，从而达到分离或浓缩目的的一种分离方法.20世纪初，泡沫分离技术最早应用于矿物浮选，后来应用于回收工业废水中的表面活性剂.直到20世纪70年代，人们开始将泡沫分离技术应用于蛋白质与酶的分离提取.目前，在食品工业中，泡沫分离技术已经应用于蛋白质与酶、糖及皂苷类有效成分的分离提取.由于大部分食品料液都有起泡性，泡沫分离技术在食品工业中的应用将越来越广泛.

1泡沫分离技术的原理及特点

1.1泡沫分离技术的原理

泡沫分离技术是依据表面吸附原理，基于液相中溶质或颗粒之间的表面活性差异性.表面活性强的物质先吸附于分散相与连续相的界面处，通过鼓泡形成泡沫层，使泡沫层与液相主体分离，表面活性物质集中在泡沫层内，从而达到浓缩溶质或净化液相主体的目的.

1.2泡沫分离技术的特点

1.2.1优点（1）与传统分离稀浓度产品的方法相比，泡沫分离技术设备简单、易于操作，更加适合于稀浓度产品的分离.

（2）泡沫分离技术分辨率高，对于组分之间表面活性差异大的物质，采用泡沫分离技术分离可以得到较高的富集比.

（3）泡沫分离技术无需大量有机溶剂洗脱液和提取液，成本低、环境污染小，利于工业化生产.

1.2.2缺点表面活性物质大多数是高分子化合物，消化量比较大，同时比较难回收.此外，溶液中的表面活性物质浓度不易控制，泡沫塔内的返混现象会影响到分离效果.

2泡沫分离技术在食品工业中的应用

2.1蛋白质的分离

在分离蛋白质的过程中，表面活性差异小的蛋白质，吸附效果受到气-液界面吸附结构的影响，因此蛋白质表面活性的强度是考察泡沫分离效果的主要指标.谭相伟等研究了牛血清蛋白与酪蛋白在气-液界面的吸附，并发现酪蛋白对牛血清蛋白在气-液界面处的吸附有显著影响.此后，Hossain等利用泡沫分离技术对β-乳球蛋白和牛血清蛋白进行分离富集，结果得到96%β-乳球蛋白和83%牛血清蛋白.Brown等采用连续式泡沫分离技术从混合液中分离牛血清蛋白与酪蛋白，结果表明酪蛋白的回收率很高，而大部分的牛血清蛋白留在了溶液中.Saleh等研究了利用泡沫分离法从乳铁传递蛋白、牛血清蛋白和α-乳白蛋白3种蛋白混合液中分离出乳铁传递蛋白，在牛血清蛋白和α-乳白蛋白的混合液中加入不同浓度的乳铁传递蛋白，并不断改变气速，优化了最佳工艺条件.结果得出：在最佳工艺条件下，87%的乳铁传递蛋白留在溶液中，98%牛血清蛋白和91%α-乳白蛋白存在于泡沫夹带液中.由此可见，利用泡沫分离法可以有效地从3种蛋白质混合液中分离出乳铁传递蛋白.Chen等利用泡沫分离技术从牛奶中提取免疫球蛋白.考察了初始pH值、初始免疫球蛋白浓度、氮流量、柱的高度及发泡时间等因素对反应的影响，结果表明：采用泡沫分离方法可以有效地从牛奶中分离出免疫球蛋白.Liu等从工业大豆废水浓缩富集大豆蛋白，最佳工艺条件:温度为50℃，pH值为5.0，空气流量为100mL•min-1，装载液体高度为400mm，得到大豆蛋白富集比为3.68.Li等为了提高泡沫析水性，研发了一种新型的利用铁丝网进行整装填料的泡沫分离塔，利用铁丝网整体填料塔泡沫分离法对牛血清蛋白进行分离.通过研究填料对气泡大小、持液量、富集比和在不同条件下以牛血清蛋白水溶液作为一个参考物的有效收集率的影响，评价填料的作用.结果表明，填料可以加速气泡破裂、减少持液量、提高泡沫析水性和牛血清蛋白的富集比.研究表明，在积液量为490mL，空气流速为300mL•min-1，牛血清蛋白初始浓度为0.10g•L-1，填料床高度为300mm和初始pH值为6.2的条件下，最佳的牛血清蛋白富集比为21.78，是控制塔条件下富集比的2.44倍.刘海彬等以桑叶为原料，采用泡沫分离法对桑叶蛋白进行分离，并分析了影响分离效果的主要因素，结果测得桑叶蛋白回收率为92.50%、富集比为7.63.由此可见，利用泡沫分离法对桑叶进行分离可得到含量较高的桑叶蛋白.与传统的叶蛋白分离方法如酸（碱）热法、有机溶剂法相比较，泡沫分离法分离效果好，避免了加热导致蛋白质变性以及减少有机溶剂带来的环境污染等问题.李轩领等以亚麻蛋白浓度、NaCl浓度、原料液pH值以及装液量为主要考察因素，用响应面法优化了从未脱胶亚麻籽饼粕中泡沫分离亚麻蛋白的工艺条件.在最佳工艺条件下，得到95.8%的亚麻蛋白质，而多糖的损失率仅为6.7%.可见，采用泡沫分离技术可以从未脱胶亚麻籽饼粕中有效分离出亚麻蛋白.

2.2酶的分离

蛋白质属于生物表面活性剂，包含极性和非极性基团，在溶液中可选择性地吸附于气-液界面.因此，从低浓度溶液中可泡沫分离出酶和蛋白质等物质.Linke等研究了从发酵液中泡沫分离胞外脂肪酶，考察了通气时间、pH值及气速等主要因素对回收率的影响，研究得出通气时间为50min、pH值为7.0及气速为60mL/min时，酶蛋白回收率为95%.Mohan等[17]从啤酒中泡沫分离回收酵母和麦芽等，结果表明，分离酵母和麦芽所需的时间不同，而且低浓度时更加容易富集.Holmstr从低浓度溶液中泡沫分离出淀粉酶，研究发现在等电点处鼓泡，泡沫夹带液中的淀粉酶活性是原溶液中的4倍.Lambert等采用泡沫分离技术考察了β-葡糖苷酶的pH值与表面张力之间的关系，研究表明，纤维素二糖酶和纤维素酶的最佳起泡pH值分别为10.5和6~9.Brown等利用泡沫分离技术对牛血清蛋白与溶菌酶以及酪蛋白与溶菌酶的混合体系分别进行了分离纯化的研究.结果表明，溶菌酶不管与牛血清蛋白混合还是与酪蛋白混合，回收率都很低，但是由于溶菌酶可提高泡沫的稳定性，从而提高了牛血清蛋白与溶菌酶的回收率.Samita等对牛血清蛋白与酪蛋白、牛血清蛋白与溶菌酶两种二元体系分别进行了研究，发现在牛血清蛋白与酪蛋白的蛋白质二元体系中酪蛋白在气-液界面处的吸附占了大部分的气-液界面，从而阻止了牛血清蛋白在气-液界面处的吸附.而在牛血清蛋白与溶菌酶的二元体系中，研究表明溶菌酶提高了牛血清蛋白的回收率，同时提高了泡沫的稳定性.针对这种现象，Noble等也采用泡沫分离法分离牛血清蛋白与溶菌酶的二元体系，研究发现泡沫夹带液中存在少量的溶菌酶，提高了泡沫的稳定性，牛血清蛋白溶液在低浓度下本来不能产生稳定泡沫，溶菌酶的存在使得其也能产生稳定的泡沫.这些研究表明，泡沫分离技术可以在较低的浓度下分离具有表面活性的蛋白质，为泡沫分离技术在蛋白质分离中的应用研究开辟了新的领域.国内泡沫分离技术已应用在酶类物质分离中，范明等设计了泡沫分离装置，利用泡沫分离技术分离脂肪酶模拟液和实际生产生物柴油的水相脂肪酶溶液，对水相脂肪酶进行回收并富集.考察了通气速度、进料酶浓度及水相脂肪酶溶液中pH值等主要因素对分离效果的影响，当通气速度为10L/(LH)、进料酶浓度为0.2g/L、pH值为7.0时，蛋白和酶活回收率接近于100%，富集比为3.67.研究表明，初始脂肪酶浓度对泡沫分离的富集比和蛋白回收率有显著影响，pH值对富集比、蛋白和酶活回收率无显著影响，而气速是影响蛋白回收速率的一个重要因素.回收水相脂肪酶的过程中酶活性无损失.可见，泡沫分离是一个回收液体脂肪酶的有效方法.

2.3糖的分离

糖一般存在于植物和微生物体内，可根据糖与蛋白质或者其他物质的表面活性差异性，利用泡沫分离技术对糖进行分离提取.Fu等采用离心法从基隆产的甘薯块中分离提取可溶性糖和蛋白，得到的回收率分别为4.8%和33.8%；而采用泡沫分离法时，可溶性糖和蛋白的回收率分别为98.8%和74.1%.Sarachat等采用泡沫分离法富集假单胞菌生产的鼠李糖脂，最佳工艺条件下得到鼠李糖脂97%，富集比为4.李志洲利用间歇式泡沫分离法从美味牛肝菌水提物中分离牛肝菌多糖，考察了pH值、原料液浓度、空气流速、表面活性剂用量及浮选时间等主要因素对分离效果的影响，以回收率为指标评价分离的效果，并优化了分离牛肝菌多糖的工艺条件.在最佳工艺条件下，牛肝菌多糖回收率为83.1％.国内关于食用菌多糖的提取一般利用水提醇析法，但是该法需要消耗大量的乙醇，操作周期长，能耗大[27-28]，而泡沫分离法具有快速分离、设备简单、操作连续、不需高温高压及适合分离低浓度组分等优势，因此间歇式泡沫分离法是提取食用菌多糖的一种有效方法.

2.4皂苷类有效成分的分离

皂苷包含亲水性的糖体和疏水性的皂苷元，具有良好的起泡性，是一种优良的天然非离子型表面活性成分，因此可采用泡沫分离法从天然植物中分离皂苷.泡沫分离法已广泛用于大豆异黄酮苷元、人参皂苷、无患子皂苷、竹节参皂苷、文冠果果皮皂苷等有效成分的分离.

2.4.1大豆异黄酮苷元的分离Liu等采用泡沫分离与酸解方法从大豆乳清废水中分离大豆异黄酮苷元，指出从工业大豆乳清废水中提取的异黄酮苷元主要以β-苷元的形式存在，并利用傅里叶变换红外光谱分析发现大豆异黄酮和大豆蛋白以复合物的形式存在.研究结果表明，利用泡沫分离技术可以从大豆乳清废水中有效地富集大豆异黄酮，分离出大豆异黄酮苷元和β-苷元.

2.4.2无患子总皂苷的分离魏凤玉等分别采用间歇和连续泡沫分离法分离纯化无患子皂苷，利用正交试验，考察了原始料液浓度、气体流速、温度、pH值等因素对无患子皂苷回收率的影响，确定了泡沫分离最佳工艺条件.林清霞等采用泡沫分离技术分离纯化无患子皂苷，利用紫外分光光度计测定无患子皂苷含量，通过富集比、纯度及回收率判断分离纯化的效果.在进料浓度为2.0g/L、进料量为150mL、气速为32L/h、温度为30℃、pH值为4.3时，得到富集比为2.153，纯度与回收率分别为74.68%和79.19%.研究结果表明：无患子皂苷的回收率随着进料浓度的增大而减小，随着气速、进料量的增大而增大；富集比随着进料浓度、气速及进料量的增大而减小，pH值对富集比的影响较小；纯度随着进料浓度、气速的增大而降低，进料量、pH值对纯度的影响较小.

2.4.3竹节参总皂苷的分离竹节参的主要成分皂苷是一种优良的天然表面活性剂，而竹节参中的竹节参多糖、无机盐及氨基酸等是非表面活性剂，因此可根据表面活性的差异，采用泡沫分离技术对竹节参皂苷进行分离纯化.张海滨等考察了气泡大小、pH值、原料液温度及电解质物质的量浓度等主要因素对泡沫分离竹节参总皂苷的影响，以富集比、纯度比及回收率等为指标分析分离纯化的效果，得出最佳工艺条件：气泡直径为0.4~0.5mm，pH值为5.5，温度为65℃，电解质NaCl浓度为0.015mol•L-1.在最佳工艺条件下，总皂苷富集比为2.1，纯度比为2.6，回收率为98.33%，能够得到较好的分离.张长城等研究了利用泡沫分离技术对竹节参中皂苷进行分离纯化的方法与条件，指出泡沫分离技术分离纯化竹节参皂苷具有产品回收率高、工艺简单、能耗低及不使用有机溶剂等优点，为竹节参皂苷的开发利用提供了技术支持.

2.4.4文冠果果皮皂苷的分离文冠果籽油是优质的食用油，含油率达35%～40%，同时可作为生物柴油的原料.文冠果果皮含有皂苷1.5%～2.4%.研究表明，文冠果果皮皂苷具有抗肿瘤、抗氧化及抗疲劳等功效.文冠果果皮皂苷的开发利用带来的附加价值可以有效地降低生物柴油的生产成本.在生产生物柴油的过程中需要处理大量的果皮，因此需要寻求一种简单可行、成本低、收率高以及对环境污染小的皂苷分离方法.吴伟杰等使用自制起泡装置，研究了泡沫分离技术分离文冠果果皮总皂苷的可行性及最佳反应条件.研究得出泡沫分离文冠果皂苷的最佳工艺条件为：料液气体流速为2.5L•min-1，初始浓度为2mg•mL-1，温度为20℃，pH值为5.与泡沫分离人参、三七等皂苷的气体流速相比较，文冠果果皮的气体流速较低，这样可以更大限度地降低能耗、节约成本.同时，泡沫分离文冠果果皮皂苷可在室温条件下进行，降低了加热所需的能耗.此外，由于文冠果果皮皂苷的水溶液pH值在5左右，泡沫分离时无需调节pH值.在最佳工艺条件下，得到富集比为3.05，回收率为60.02%，纯度为63.35%.研究表明，泡沫分离文冠果果皮皂苷可以达到较高的富集比、回收率和纯度，对于大力开发利用生物能源、综合利用文冠果以及降低生物柴油的成本有着重要意义.

3展望

泡沫分离技术是一种很有发展前景的新型分离技术，在食品工业中的应用将会越来越广泛，今后在天然产物及稀有物质的分离提取等方面有着更加广泛的应用.同时，泡沫分离技术也存在一定的局限性，为促进泡沫分离技术在食品工业中的应用发展，应该在以下方面进行深入研究：

（1）对泡沫分离复杂物料实际分离过程的泡沫形成情况建立理论模型，对标准表面活性剂的分离提取建立标准数据库，对标准表面活性剂和非表面活性物质间的分离建立指纹图谱；

（2）如何减少泡沫分离非表面活性物质时的表面活性剂消耗量；

（3）如何解决泡沫分离高浓度产品时回收率低的问题；

（4）目前泡沫分离设备存在局限性，应研究开发新型的适合食品工业分离的泡沫分离设备，提高泡沫分离的效果.

作者：单位：潘丽 张守文 谷克仁 赵旭 哈尔滨商业大学 河南工业大学