離心分離技術(shù)在食品工業(yè)的應(yīng)用
行業(yè)動態(tài)
在現(xiàn)代工業(yè)中，離心分離技術(shù)已越來越重要，這不僅由于離心機(jī)和其它分離機(jī)械相較，可得含濕量低的固相和高純度的液相，而且具有節(jié)省勞力、減輕勞動強(qiáng)度，改善勞動條件，并具有連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、自動遙控、占地面積小等優(yōu)點。故自1836年 臺三足式離心機(jī)在德國問世以來，迄今已獲很大的發(fā)展，各類離心機(jī)品種繁多，正在向高參數(shù)、系列化、專業(yè)化及自動化方向發(fā)展?，F(xiàn)已廣泛用于化工、輕工、食品、醫(yī)藥、軍工、船舶等近三十個工業(yè)領(lǐng)域。食品工業(yè)雖是一種歷史悠久的工業(yè)，但隨著人們生活水平的提高，營養(yǎng)與保健食品，一些與食品有關(guān)的新技術(shù)正在不斷問世，故其發(fā)展前途，大有可為。本文首先簡述了離心分離的原理，其次對食品工業(yè)中的離心機(jī)和分離機(jī)機(jī)型及選用作了剖析，文章結(jié)尾則對離心分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用及部分分離工藝流程作簡單介紹。
1 離心分離技術(shù)基本原理和特點
離心技術(shù)是利用物體高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力，使置于旋轉(zhuǎn)體中的懸浮顆粒發(fā)生沉降或漂浮，從而使某些顆粒達(dá)到濃縮或與其他顆粒分離之目的。這里的懸浮顆粒往往是指制成懸浮狀態(tài)的細(xì)胞、細(xì)胞器、病毒和生物大分子等。離心機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，當(dāng)懸浮顆粒密度大于周圍介質(zhì)密度時，顆粒離開軸心方向移動，發(fā)生沉降；如果顆粒密度低于周圍介質(zhì)的密度時，則顆粒朝向軸心方向移動而發(fā)生漂浮。根據(jù)離心原理，離心技術(shù)又可以分為差速離心法、密度梯度離心法和等密度梯度離心法。
1.1 差速離心
采用不同的離心速度和離心時間，使沉降速度不同的顆粒分批分離的方法，稱為差速離心。操作時，采用均勻的懸浮液進(jìn)行離心，選擇好離心力和離心時間，使大顆粒先沉降，取出上清液，在加大離心力的條件下再進(jìn)行離心，分離較小的顆粒。如此多次離心，使不同大小的顆粒分批分離。差速離心所得到的沉積物含有較多雜質(zhì)，需經(jīng)過重新懸浮和再離心若干次，才能獲得較純的分離產(chǎn)物。差速離心主要用于分離大小和密度差異較大的顆粒。操作簡單方便，但分離效果較差。
1.2 密度梯度離心（又稱速度區(qū)帶離心）
密度梯度離心是指樣品在密度梯度介質(zhì)中進(jìn)行的一種沉降速度離心。密度梯度系統(tǒng)是在溶劑中加入一定的梯度介質(zhì)制成的。梯度介質(zhì)應(yīng)有足夠大的溶解度，以形成所需的密度，不與分離組分反應(yīng)，不會引起分離組分的凝聚、變性或失活，常用的有蔗糖、甘油等。目前使用較多的是蔗糖密度梯度系統(tǒng)，其梯度范圍是：蔗糖濃度5%～60%，密度1.02～1.30g/cm。梯度的作用是使離心液穩(wěn)定以減少擴(kuò)散或得到較為鋒利的區(qū)帶。被離心的物質(zhì)根據(jù)其沉降系數(shù)不同進(jìn)行分離，同類物質(zhì)則因分子大的沉降速度快于分子小的物質(zhì)從而得到分離。密度梯度的制備可采用梯混合器，也可將不同濃度的蔗糖溶液，小心地一層層加入離心管中，越靠管底，濃度越高，形成階梯梯度。離心前，把樣品小心地鋪放在預(yù)先制備好的密度梯度溶液的表面。離心后，不同大小、不同形狀、有一定的沉降系數(shù)差異的顆粒在密度梯度溶液中形成若干條界面清晰的不連續(xù)區(qū)帶。各區(qū)帶內(nèi)的顆粒較均一，分離效果較好。在密度梯度離心過程中，區(qū)帶的位置和寬度隨離心時間的不同而改變。隨離心時間的加長，區(qū)帶會因顆粒擴(kuò)散而越來越寬。為此，適當(dāng)增大離心力而縮短離心時間，可減少區(qū)帶擴(kuò)寬。
1.3 等密度梯度離心（又稱平衡密度梯度離心）
等密度梯度離心雖然也是在密度梯度介質(zhì)中進(jìn)行的離心，但被分離的物質(zhì)是依靠他們的密度不同進(jìn)行分離的。此種離心常用無機(jī)鹽類制作密度梯度。氯化銫（CsCl）是較常用的離心介質(zhì)，它在離心場中可自行調(diào)節(jié)形成濃度梯度并保持穩(wěn)定。需要離心分離的樣品可和梯度介質(zhì)先均勻混合，離心開始后，梯度介質(zhì)由于離心力的作用逐漸形成管底濃而管頂稀的密度梯度，與此同時，可以帶動原來混合的樣品顆粒也發(fā)生重新分布，到達(dá)與其自身密度相等的梯度層里，即達(dá)到等密度的位置而獲得分離。例如，DNA在等密度梯度離心過程中，停留在密度梯度為1.7的位置，而RNA停止在1.9的部位，由此可見等密度梯度離心是不依賴于時間的，只要梯度不破壞，時間延長不影響分離。前述密度梯度離心法中，欲分離的顆粒未達(dá)到其等密度位置，故分離效果不如等密度梯度離心法好。
2 食品工業(yè)中的離心機(jī)和分離機(jī)機(jī)型剖析及其選用
用于食品工業(yè)中的離心機(jī)和分離機(jī)可分為二大類，即沉降離心機(jī)和過濾離心機(jī)，現(xiàn)分別剖析如下。
2.1 沉降離心機(jī)
2.1.1 管式高速分離機(jī)
管式機(jī)可用于液-液，液-固，液-液-固的分離，但其條件為固相比重較液相大，且固相含量一般＜10%。
2.1.2 室式分離機(jī)
室式機(jī)主要適于貴重固相物的回收，以及對管式機(jī)來說處理量太大的情況。
2.1.3 人工排渣碟式機(jī)
該機(jī)型用于固體濃度很低的場合（通常為1%體積濃度），但可達(dá)較高的分離因數(shù)，故特別適宜于分離兩種液體的同時除去微量固體。
2.1.4 噴嘴排渣碟式機(jī)
噴嘴排渣碟式機(jī)適用處理濃度為6～25%之懸浮液，而帶再循環(huán)的噴嘴機(jī)則循環(huán)量可達(dá)40%，濃縮率一般為5倍。它可進(jìn)液-固，液-液-固的分離，噴嘴的數(shù)口和直徑可視產(chǎn)量、濃度而調(diào)整。
2.1.5 活門排渣碟式機(jī)
活門排渣碟式機(jī)為碟式機(jī)中品種系列較多之機(jī)型。該機(jī)型特點為可連續(xù)生產(chǎn)、自動化程度高、多功能性，具有自清洗能力，該機(jī)型較噴嘴型可得到較高的排液濃度。
2.1.6 活門排渣噴嘴分離機(jī)
該機(jī)型為近年開發(fā)的，由于碟式機(jī)的分離效率為碟片層尺寸和轉(zhuǎn)速的函數(shù)，而該機(jī)型之密閉從外側(cè)，而且在轉(zhuǎn)鼓圓周上開上一定數(shù)量的孔，故較同類活塞機(jī)可提高轉(zhuǎn)速20～30%，Σ值可提高85%，分離因數(shù)可達(dá)16000。
2.1.7 螺旋卸料沉降離心機(jī)
這是一種自動型的連續(xù)離心機(jī)，該機(jī)型特點是：較全面，功能全，單機(jī)生產(chǎn)能力大，結(jié)構(gòu)緊湊，動力較省，亦用于粒度分級。
2.1.8 撇液離心機(jī)
該機(jī)型屬低速回轉(zhuǎn)機(jī)
2.2 過濾離心機(jī)
2.2.1 立式離心機(jī)
立式離心機(jī)為國內(nèi)目前應(yīng)用較廣、數(shù)量較多的機(jī)型。其特點為結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、價格低廉，加之應(yīng)用面廣，且晶體不易損壞、洗滌優(yōu)，但近年來電氣、油壓操作機(jī)正在逐漸增多并取代之。上懸式主要用于制糖廠中。
2.2.2 臥式刮刀卸料離心機(jī)
該機(jī)型性能類似立式刮刀機(jī)，但卸料為全速，晶體易破碎，振動亦較大，可代替真空過濾機(jī)。
2.2.3 螺旋過濾離心機(jī)
該機(jī)分立、臥二種，其特點為生產(chǎn)量大，結(jié)構(gòu)緊湊，適于固相粒度大于150目的晶體或短纖維懸浮液的分離。
2.2.4 活塞推料離心機(jī)
在本機(jī)中生成濾餅與轉(zhuǎn)鼓同速回轉(zhuǎn)，并由軸向往復(fù)的料板推出，有單級或多級，多達(dá)12級。本機(jī)適于纖維或晶體分離，多級則適于分離粘性大的母液。
2.2.5 離心力卸料離心機(jī)
該機(jī)型主要適用于易脫水物料的分離，結(jié)構(gòu)簡單，其變型規(guī)格甚多，有GTL型及反跳環(huán)型。
2.2.6 振動卸料及其它機(jī)型
振動卸料機(jī)結(jié)構(gòu)除加振動源外，類似離心力卸料機(jī)。一種新穎的翻袋卸料機(jī)則適于粘性物料的分離。
2.3 沉降機(jī)和過濾機(jī)的選擇比較
液-液系統(tǒng)的分離只能用沉降機(jī)，而固液系統(tǒng)的分離則視下述情況而定：固液二相比重差，固體顆粒之大小，固相之濃度，液相之粘度、溫度、壓力，使用工藝要求等，當(dāng)然經(jīng)濟(jì)性亦為考慮的方面。
3 離心分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用
3.1 果蔬汁生產(chǎn)的工藝中
固液分離是一項重要的技術(shù)，用以分離懸浮在果汁中的固體粒子，已經(jīng)使用了30多年。離心分離技術(shù)的發(fā)展與果蔬加工技術(shù)可謂是并駕齊驅(qū)。在早期階段，果蔬加工是利用離析器，將果肉粒子從壓榨后的果汁中分離出來，或在澄清處理時將澄清劑分離。時至 ，離析器的使用已漸漸取替上述的處理方法。事實上，離析器和灌析器均能為果蔬加工提供經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)模式，增加果汁提取時的產(chǎn)率，以及避免操作中造成的損失。
3.2 豌豆、綠豆、蠶豆中
近來，對豌豆、綠豆和蠶豆的利用進(jìn)行了初步的探索，利用流槽和離心分離技術(shù)，在小試基礎(chǔ)上成功地分離提取高質(zhì)量的豆類淀粉，同時得到了優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)。本研究目的是利用中試設(shè)備，現(xiàn)代淀粉的加工裝置對豌豆的有效成分進(jìn)行分離提取，為工業(yè)化生產(chǎn)提供必要的工藝條件；同時，為進(jìn)一步開展豌豆淀粉和蛋白質(zhì)特性及其應(yīng)用的研究提供必要的物質(zhì)條件。
3.3 發(fā)酵乳制品中
隨著人民生活水平的提高和健康意識的增強(qiáng)，我國發(fā)酵乳制品工業(yè)迅猛發(fā)展。實踐證明，傳統(tǒng)人工型液態(tài)發(fā)酵劑由于存在種種弊端，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足發(fā)酵乳制品工業(yè)發(fā)展的要求。因此，積極研制并開發(fā)出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高效濃縮型直投式乳酸菌發(fā)酵劑勢在必行。高效濃縮型直投式乳酸菌發(fā)酵劑的生產(chǎn)系采用優(yōu)質(zhì)乳酸菌種經(jīng)液體深層高密度培養(yǎng)，經(jīng)菌體細(xì)胞的分離，與保護(hù)劑介質(zhì)混溶，再經(jīng)冷凍或冷凍干燥，無菌包裝，制成濃縮型凍藏發(fā)酵劑或濃縮型凍干發(fā)酵劑。由此可見，乳酸菌細(xì)胞的分離技術(shù)是制備高效濃縮型直投式發(fā)酵劑重要的中間工藝環(huán)節(jié)。目前，乳酸菌細(xì)胞分離的方法有離心和超濾。研究表明，超濾效果優(yōu)于離心，而超速離心效果優(yōu)于普通離心。但是，離心比超濾操作簡便，設(shè)備清洗和消毒方便，不易污染，其應(yīng)用較超濾普遍。
各種類型的沉降離心機(jī)在食品工業(yè)中的應(yīng)用占主導(dǎo)地位，例如可用于牛奶澄清與穩(wěn)定化處理、食油精制、干酪及酸奶酪的生產(chǎn)、乳糖、酪蛋白、黃油、葡萄酒、各種果汁、啤酒、咖啡、果凍、制糖、糖蜜、酵母及酵母提取物、淀粉棕櫚油、卵磷脂、植物油脂、動物原脂、明膠、血清、血粉、魚粉、魚油、檸檬酸、味精、水藻、大豆蛋白、單細(xì)胞蛋白、速凍蔬菜、人參蜂皇漿、皂料、橄欖油、發(fā)酵肉湯、速溶飲料、維生素、谷糠、肉類加工等。各類過濾離心機(jī)的應(yīng)用亦十分廣泛，用于食糖、味精、淀粉、蛋白回收、酵母、葡萄糖、檸檬酸及各類水果和各種植物中分離原汁及冷凍濃縮等操作中。食品加工工藝流程中需要采用離心分離技術(shù)的情況，逐漸在增多。
