分子蒸餾技術(shù)及其在食品方面的應(yīng)用

1、分子蒸餾技術(shù)及其在食品方面的應(yīng)用 摘 要：分子蒸餾技術(shù)是一種新型、 高效的分離技術(shù) ,現(xiàn)已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文介紹下分子蒸餾的概念、原理、 特點以及影響分子蒸餾速度的因素;其中舉以例子，介紹下分子蒸餾技術(shù)目前在食品工業(yè)中的應(yīng)用。最后本文對其發(fā)展狀況及應(yīng)用前景進行了分析和展望。關(guān)鍵詞：分子蒸餾技術(shù)；食品；應(yīng)用；前景 蒸餾是實現(xiàn)分離的一種最基本的方法，可實現(xiàn)固體和液體或液體和液體混合物的分離。常規(guī)蒸餾的過程中，經(jīng)常采用減壓的方法，能夠有效降低蒸餾所需要的溫度，從而可以避免有些物質(zhì)在蒸餾過程中因受熱分解而造成的損失。但是， 對于沸點高、 熱不穩(wěn)定、 粘度高或容易爆炸的物質(zhì)， 并不適宜使用普通

2、減壓蒸餾法。為了分離和純化這些特殊性質(zhì)的物質(zhì)， 一種新的分離技術(shù)分子蒸餾技術(shù)也相應(yīng)產(chǎn)生。分子蒸餾是一種以液相中逸出的氣相分子依靠氣體擴散為主體的分離過程，是在高真空度下進行分離操作的連續(xù)蒸餾過程，實質(zhì)上是一種特殊的液-液蒸餾分離技術(shù)。分子蒸餾過程中，待分離物質(zhì)組分可在遠低于常壓沸點的溫度下?lián)]發(fā)，并且各組分的受熱過程很短，因此成為目前分離目的產(chǎn)物最溫和的蒸餾方法， 特別適合于分離高沸點、 粘度大、 熱敏性的天然物料1。目前,分子蒸餾技術(shù)已成功地應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品、精細化工、香料工業(yè)等行業(yè)。1 基本原理分子蒸餾技術(shù)的原理，在于突破了常規(guī)蒸餾依靠沸點差分離物質(zhì)的原理，而是依靠不同物質(zhì)分子逸出后

3、的運動平均自由程的差別來實現(xiàn)物質(zhì)的分離。普通蒸餾過程中，當(dāng)形成的蒸汽分子離開溶液液面后，在運動中相互碰撞，一部分進入冷凝器中，另一部分則返回溶液內(nèi)。分子蒸餾技術(shù)的特點，在于溶液液面與冷凝器的冷凝面間距離十分靠近，蒸汽分子離開液面后，在它們的分子自由程內(nèi)未經(jīng)過相互碰撞就可到達冷凝面，不再返回溶液內(nèi)2。對液體混合物的分離，首先要加熱提供能量，接受到足能量的分子就會逸出液面成為氣相分子。不同質(zhì)量的分，由于分子有效直徑不同，一般輕分子的平均自由程較大，分子的平均自由程較小。若在離液面小于輕分子平均自由而大于重分子平均自由程處設(shè)置一個冷凝面，當(dāng)輕分子到冷凝面后就被冷凝,從而使輕分子不斷逸出；而重分子達不

4、到冷凝面就會發(fā)生碰撞而返回溶液中，很快與液相中重分子趨于動態(tài)平衡，表觀上不再從液相中逸出。通過這種方法，就可以將輕分子和重分子進行分離3。分子平均自由程是一個分子在相鄰的兩次分子碰撞之間所經(jīng)過的路程，它的長短與分子有效直徑、壓力和溫度有關(guān)4。當(dāng)壓力不變時， 物質(zhì)的分子平均自由程隨溫度的增加而增加；當(dāng)溫度不變時，物質(zhì)的分子平均自由程隨壓力的降低而增加。例如,當(dāng)系統(tǒng)中的壓力為13.3Pa 時,空氣分子的平均自由程只有0.056cm，而當(dāng)系統(tǒng)中的壓力為 0.133Pa時，空氣分子的平均自由程可以達到 5.62cm。通常液面與冷凝面之間應(yīng)該保持一定的溫度差，通過降低冷凝面的溫度，破壞體系中蒸汽分子的動

5、態(tài)平衡，提高分子蒸餾的速度。分子蒸餾速度的理論值，可由Langmuir和Knudsen理論公式來計算 W=PS（5M/RT)½式中：W每秒鐘蒸餾出的蒸餾液重量，kg P蒸發(fā)面上的壓力，Pa S蒸發(fā)面的有效面積，cm M分子量 R氣體常數(shù)8.32J/molk T絕對溫度，K(1)混合物液相在加熱板表面受熱后，分子逃逸擴散。(2)分子從蒸發(fā)面向冷凝面飛射，輕分子由于平均自由程大于蒸發(fā)面與冷凝面的距離，輕分子碰撞到冷凝板表面，溫度降低后被捕獲冷凝，冷凝液體沿冷凝板流出蒸餾器。(3)重分子由于平均自由程小于蒸發(fā)面與冷凝面的距離，所以不能碰撞到冷凝板表面，不能被捕獲冷凝。重分子大部分返回到混合

6、物液相被帶出蒸餾器。(4)輕重分子從蒸發(fā)面向冷凝面飛射過程中，可能與殘存的空氣分子碰撞，也可能相互碰撞。必須保持合適的真空度，使蒸發(fā)分子的平均自由程大于或等于蒸發(fā)面與冷凝面的距離。2 基本特征對于高沸點、熱敏性產(chǎn)品的分離，分子蒸餾技術(shù)優(yōu)于常規(guī)蒸餾。采用傳統(tǒng)的蒸餾法生產(chǎn)，難以克服操作溫度高、受熱時間長的缺點，導(dǎo)致了有效成分的聚合及分解等變化。而分子蒸餾技術(shù)恰恰克服了這一難題，可以解決常規(guī)蒸餾無法解決的問題，尤其是高沸點與熱敏性產(chǎn)品的分離問題2.1 分子蒸餾與傳統(tǒng)蒸餾（1）普通蒸餾是在沸點溫度下進行分離，而分子蒸餾只要冷熱兩面之間達到足夠的溫度差，就可在任何溫度下進行分離。（2）普通蒸餾的蒸發(fā)與冷

7、凝式可逆過程，液相和氣相之間達到了動態(tài)平衡；分子蒸餾中，從加熱而逸出的分子飛射到冷凝面上，理論上沒有返回到加熱面的可能性，所以分子蒸餾是不可逆過程。（3）普通蒸餾有鼓泡、沸騰等現(xiàn)象；而分子蒸餾實在液膜表面上的自由蒸發(fā)，由于液體中無溶解的空氣，因此在蒸餾過程中不會使整個液體沸騰，沒有鼓泡現(xiàn)象。即分子蒸餾是不沸騰下的蒸發(fā)過程。（4）普通蒸餾分離能力只與組分的蒸汽壓之比有關(guān)；而分子蒸餾的分離能力與被分離混合物的蒸汽壓和相對分子質(zhì)量也有關(guān)。因此，可以分離蒸汽壓十分相近而相對分子質(zhì)量有所差別的混合物。（5）普通蒸餾中物料受熱溫度高，受熱時間長。分離蒸餾蒸發(fā)過程中，因分子蒸餾裝置加熱面與冷凝面的距離小于輕

8、分子的平均自由程。從液面逸出的輕分子幾乎未經(jīng)碰撞就達到冷凝面，所以受熱時間很短，在蒸餾溫度下停留時間一般在幾秒至幾十秒之間。由于分子蒸餾溫度低，受熱時間短，從而避免了因受熱時間長而造成某些組分分解或聚合的可能。因此，它特別適合對高沸點、熱敏性物料進行有效的分離。2.2 分子蒸餾特點（1） 真空度高 由于分子蒸餾的蒸發(fā)面與冷凝面的間距小于輕分子平均自由程，輕分子幾乎沒有壓力降能達到冷凝面，使蒸發(fā)面的實際操作真空度比傳統(tǒng)操作真空度高出幾個數(shù)量級，一般最低蒸餾壓力必須低于0.5Pa，通常為0.1333Pa。（2）操作溫度低 分子蒸餾是依靠分子運動平均自由程的差別來實現(xiàn)分離的，并不需要達到物料的沸點（

9、遠低于其沸點），因此，其操作溫度是較低的，這也是分子蒸餾與普通蒸餾的本質(zhì)區(qū)別。（3）受熱時間短 分子蒸餾在蒸發(fā)過程中，物料被強制形成很薄的液膜，并被定向推動，使得液體在分離器中停留時間很短。特別是輕分子，一經(jīng)逸出就馬上冷凝，受熱時間更短。另外，混合液體呈薄膜狀，液面與加熱面的面積幾乎相等，物料在蒸餾過程中受熱時間很短。對普通真空蒸餾而言，受熱時間為數(shù)小時，而分子蒸餾僅為數(shù)十秒。（4）分離程度高 蒸餾能分離常規(guī)蒸餾不易分開的物質(zhì)。常規(guī)蒸餾的分離能力與組分的蒸汽壓相關(guān)，而分子蒸餾的分離能力與組分的蒸汽壓與其相對分子質(zhì)量之比相關(guān)。因此，分子蒸餾的分離程度更高，特別適合于不同組分分子平均自由程相差較大

10、的混合物的分離。（5）生產(chǎn)成本低 由于分子蒸餾整個分離過程損失少，且由于分子蒸餾裝置獨特的結(jié)構(gòu)形式，其內(nèi)部壓強較低，內(nèi)部阻力遠比常規(guī)蒸餾小，因而可以節(jié)省能耗，降低了生產(chǎn)成本。3 分子蒸餾技術(shù)的設(shè)備及注意事項3.1 分子蒸餾器的基本類型分子蒸餾器裝置主要包括：分子蒸發(fā)器（包括加熱器、冷凝器、捕集器等）、加熱系統(tǒng)（包括導(dǎo)熱油泵、導(dǎo)熱油爐、溫控儀表、油路等）、冷卻系統(tǒng)（包括冷凝器、恒溫水泵、冷卻水管路等）、真空系統(tǒng)（包括真空泵、擴散泵）、脫氣系統(tǒng)、進料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。3.1.1 刮膜式分子蒸餾器進料以恒定的速率進入到旋轉(zhuǎn)分布板上，在一定離心力的作用下被拋向加熱蒸發(fā)面，在重力作用下沿蒸發(fā)面向下流動的同

11、時在刮膜器的作用下得到均勻分布，低沸點組分首先從薄膜表面揮發(fā)，徑自飛向中間冷凝面，并冷凝成液相，冷凝液流向蒸發(fā)器的底部，經(jīng)餾出口流出；不揮發(fā)成飛從殘留口流出；不凝性氣體從真空口排出。因此，目的產(chǎn)物既可以是易揮發(fā)組分，又可以是難揮發(fā)組分。3.1.2 離心式分子蒸餾器料液從進料管進入離心蒸發(fā)器。離心蒸發(fā)器是一個旋轉(zhuǎn)體。其產(chǎn)生的離心力使進來的料液在蒸發(fā)器表面形成薄膜，一面向外運動，一面蒸發(fā)氣化。蒸發(fā)器下面裝有加熱器。產(chǎn)生的蒸汽在穹頂冷凝器表面冷卻成蒸餾液。蒸發(fā)器剩下的殘留液經(jīng)收集后由殘夜出口排出。不凝性氣體由真空接口抽走，由于蒸發(fā)器的離心作用，料液很容易形成薄膜，同時料液緊貼著蒸發(fā)面產(chǎn)生氣泡的可能性

12、較少。在離心力的作用下，料液薄膜會沿著蒸發(fā)面自由向外移動，因而傳質(zhì)速率較高，料液在蒸發(fā)面停留的時間較短。3.2 分子蒸餾器的選用原則（1）選擇合適的真空泵組及密封結(jié)構(gòu)，以保證足夠快地達到所需的真空度。（2）選擇合適的脫氣設(shè)備。由于任何液體都含有或多或少的氣體，未經(jīng)充分脫氣的液體如直接加入蒸餾釜，會影響系統(tǒng)的真空度，而且可能從液體中劇烈析出的氣體，產(chǎn)生飛沫，影響分子蒸餾器的正常運轉(zhuǎn)。（3）正確選擇蒸發(fā)面與冷凝面的形狀、距離及相對位置，以保證從設(shè)備的蒸餾空間內(nèi)順利地排出殘余氣體。（4）對于熱敏性物質(zhì)的分離，由于要求被加工物料在蒸餾溫度下停留較短的時間，可采用離心式分子蒸餾器。（5）根據(jù)實際需要，綜

13、合考慮被分離物料的純度要求和生產(chǎn)成本，選擇單級式或多級式分子蒸餾器。3.3分子蒸餾器的注意事項（1）根據(jù)不同物料的黏度，采用合理的物料分布結(jié)構(gòu)，使液體分布均勻，有效地避免返混。（2）采用離心方法強化成膜裝置，減小液膜厚度，降低液膜的傳質(zhì)阻力。（3）保證預(yù)先脫氣的要求，控制操作溫度和真空度，避免液體飛濺。（4）加強密封結(jié)構(gòu)的維護，解決高溫、高真空度下密封變形問題，保證設(shè)備在高真空度下能長期穩(wěn)定運行的性能等。（5）優(yōu)化加熱方式、物料輸送等工藝條件。4 分子蒸餾技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用分子蒸餾技術(shù)在食品工業(yè)中已有許多成功的實例，如分子蒸餾生產(chǎn)單甘脂、從魚油中提取DHA和EPA、小麥胚芽油的制取、天然維

14、生素E提取、-亞麻酸提取等。隨著食品工業(yè)的發(fā)展，用特別是天然保健食品的發(fā)展，用分子蒸餾技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品必將有更廣闊的市場前景。4.1 單脂肪甘油酸酯單脂肪酸甘油酯，簡稱單甘脂，是重要的食品乳化劑。單甘脂的用量占食品乳化劑總量的2/3,。在食品中它可起到乳化、起酥、蓬松、保險的作用，可作為餅干、面包、糕點、糖果、人造奶油、起酥油、涂抹油、冰激凌、巧克力等的乳化劑。此外，它在醫(yī)藥、化妝品等方面也有廣泛應(yīng)用。 單甘脂可采用脂肪酸與甘油的酯化反應(yīng)和油脂與甘油的酶解反應(yīng)兩種工藝制取，其原料為各種油脂、脂肪酸和甘油。采用酯化反應(yīng)或酶解反應(yīng)合成的單甘脂，通常都含有一定數(shù)量的雙甘酯（二脂肪酸甘油酯）和甘油三酯（

15、三甘酯），單甘脂的質(zhì)量分數(shù)僅為40%-50%。由于油脂的沸點很高，為了得到高純度的單甘脂，現(xiàn)在多采用分子蒸餾技術(shù)來生產(chǎn)。其工藝過程為：氫化動植物油脂與甘油進行酯化反應(yīng)，反應(yīng)混合物經(jīng)過濾后被送入三級分子蒸餾裝置。第一級是在140、500Pa真空的條件下進行脫水、脫氣，出去部分甘油；第二級是在175、75Pa真空的條件下出去剩余甘油和游離脂肪酸；第三極是在200210、0.5Pa真空的條件下蒸餾出單甘脂，同時除去雙甘酯和三甘酯；最后將液態(tài)單甘脂進行噴霧干燥。利用分子蒸餾技術(shù)，可以從粗產(chǎn)品中分離出純度高達95%以上的單甘脂。4.2 不飽和脂肪酸 深海魚油中的EPA和DHA是人類不可缺少的物質(zhì)，且人類

16、不能自身合成，必須從外界攝取。魚油中含有質(zhì)量分數(shù)為2%16%的EPA和質(zhì)量分數(shù)為5%36%的DHA，是EPA和DHA的最佳來源。DHA和EPA是天然的營養(yǎng)物質(zhì)，可提高青少年的記憶力，并有預(yù)防老年性癡呆、預(yù)防心血管疾病、降低膽固醇濃度、提高人眼視敏度等作用。用分子蒸餾法從魚油中提取不飽和脂肪酸時，飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸首先蒸出，而雙鍵較多的不飽和最后蒸出，產(chǎn)品中EPA和DHA總量可以達70%以上。雖然分子蒸餾法與尿素沉淀法相比，最終純度較低，但其工序簡單、效率高、可以連續(xù)化生產(chǎn)。采用分子蒸餾技術(shù)及工業(yè)化裝置，從魚粉生產(chǎn)的副產(chǎn)品魚油中提取和精制DHA、EPA超濃縮液，有兩個顯著特點：首先，能保證

17、DHA、EPA的天然品質(zhì)，避免其氧化、降解及聚合；其次，可徹底去除原料魚油中的有害物質(zhì)及易使產(chǎn)品變質(zhì)的誘發(fā)因子，從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。用分子蒸餾技術(shù)，還可以從紫蘇油、亞麻籽油等植物油中提取高純度的-亞麻酸，純度可達70%。4.3 天然維生素利用離心式分子蒸餾器，以大豆脫臭餾出物（維生素E質(zhì)量分數(shù)為8%20%）為原料，先用甲醇對餾出物進行甲酯化，分離出甾醇結(jié)晶后，于蒸餾壓力在0.1331.33Pa的高真空度下進行分子蒸餾，可以得到濃縮的脂肪酸甲酯和維生素E。采用多級蒸餾的方法，可以得到純度在70%以上的維生素E濃縮物，回收率達5060%。利用分子蒸餾進行反復(fù)操作，可進一步提高產(chǎn)品純度，維生素

18、E的純度最高可達98%。4.4 天然色素辣椒紅色素是從辣椒果皮中提取出的一種優(yōu)良的天然色素，因其具有良好的乳化分散性、耐光、耐堿、耐熱和耐氧化性而廣泛用于食品、醫(yī)藥及化妝品等產(chǎn)品中，辣椒紅素對人體安全、無毒、且有一定的營養(yǎng)價值。傳統(tǒng)的辣椒紅色素提取方法是化學(xué)溶劑法或油溶法，其主要缺點是產(chǎn)品中存在各種雜質(zhì)，尤其是焦油味、辣味等。利用分子蒸餾技術(shù)提取辣椒紅色素，不但使產(chǎn)品色澤鮮艷、熱穩(wěn)定性好，而且脫辣味效果極好，且同時還能得到辣椒素副產(chǎn)品。用分子蒸餾技術(shù)對辣椒紅色素進行處理后，產(chǎn)品中基本無殘留溶劑，符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。4.5 高碳脂肪醇高碳脂肪醇是指二十碳以上的直鏈飽和脂肪醇，它們一般常與高級脂肪酸

19、結(jié)合成酯存在于蟲蠟或植物蠟中，是米糠油深加工的產(chǎn)品，具有很強的生理活性。精制高級脂肪醇，其工藝十分復(fù)雜，需要經(jīng)過醇相皂化、多種及多次溶劑浸提。然后用柱層析分離，而為了提高其純度，往往需要反復(fù)進行層析，最后，還要采用溶劑結(jié)晶才能得到一定純度的制品，即使這樣，得到的也僅是混合醇產(chǎn)品。采用分子蒸餾技術(shù)進行高碳醇的精制，不但能避免有機溶劑對環(huán)境的污染和對操作人員健康的損害，而且可能對殘留溶劑進行有效脫除。國內(nèi)對米糠油中二十八碳醇進行研究，并運用分子蒸餾技術(shù)得到質(zhì)量分數(shù)在30%左右的二十八碳醇產(chǎn)品，若經(jīng)多級分子蒸餾，最終可得到質(zhì)量分數(shù)為80%的產(chǎn)品。利用分子蒸餾技術(shù)精制高碳脂肪醇，其工藝過程簡單，操作安

20、全可靠，自動化程度高，產(chǎn)品質(zhì)量能達到相應(yīng)的食品或藥品的要求。4.6 食用植物油化學(xué)法由于油脂酸價高，工藝中為保證精煉效果所添加的堿用量大，堿在與游離脂肪酸的中和過程中，也皂化大量中性油，使煉耗量增大；水蒸氣汽提脫酸，油脂需要在較長時間高溫處理，影響油脂品質(zhì)，降低保健營養(yǎng)價值。利用分子蒸餾對高酸價花椒籽油進行脫酸實驗，結(jié)果顯示當(dāng)花椒籽油酸價（以KOH計）高達41.2mg/g時，一次分子蒸餾所得到油脂酸價為3.8mg/g，達到國標二級油酸價標準；對酸價為21.7mg/g的花椒籽油進行脫酸實驗，可使其酸價降低至0.28mg/g，達到國標高級烹調(diào)油酸價標準，同時還得到色澤良好的高濃度濃縮脂肪酸產(chǎn)品，可

21、用于油脂化工和制皂業(yè)。因此，分子蒸餾技術(shù)在高酸價油脂脫酸過程中有廣闊的應(yīng)用前景。5 分子蒸餾技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望5.1 存在的問題分子蒸餾技術(shù)已引起人們廣泛關(guān)注，但就其工業(yè)化發(fā)展水平而言，國外已處于工業(yè)化推廣應(yīng)用階段，國內(nèi)則剛起步，雖然市場前景十分誘人，但在工業(yè)化應(yīng)用方面還存在理論與應(yīng)用等實際問題。（1）由于分子蒸餾技術(shù)屬于近幾十年發(fā)展起來的新型技術(shù)，其理論尚未完全成熟，加上國內(nèi)對分子蒸餾理論與應(yīng)用的研究都比較薄弱，限制了分子蒸餾技術(shù)在應(yīng)用上的突破。（2）分子蒸餾整套設(shè)備一般為高真空設(shè)備，一次性投資大。分子蒸餾器耗能大，且對密封條件要求嚴格，連續(xù)化生產(chǎn)能力低。所以，我們要針對存在的問題逐一進行改進，完善理論，改善蒸餾條件，最大限度的發(fā)揮分子蒸餾技術(shù)的優(yōu)勢，滿足生產(chǎn)的需求。5.2 分子蒸餾技術(shù)的發(fā)展前景 綜上所述，作為一種特殊的高新分離技術(shù)，分子蒸餾技術(shù)是常規(guī)真空蒸餾的補充，它與真空蒸餾相比，操作溫度要低得多，并且在高真空度下基本絕氧，所以收集的產(chǎn)品質(zhì)量、外觀和收率都優(yōu)于真空蒸餾的產(chǎn)品。分子蒸餾克服了傳統(tǒng)分離提取方法的種種缺陷，避免了傳統(tǒng)分離提取方法易引起的環(huán)境污染問題，而且工藝簡便、操作安全可靠，必將對整個食品工業(yè)起到巨大的推動作用。 分子整理技術(shù)作為一種特殊的新型分離技術(shù)，具有無毒、無污