王文瓊,周吉陽,李健駒,于倩,郭勝,徐粉林,魯茂林,顧瑞霞*

1(江蘇乳品生物技術與安全控制重點實驗室(揚州大學) 食品科學與工程學院,江蘇 揚州,225127) 2(維維食品飲料股份有限公司,江蘇 徐州,221111)

乳清是生產干酪時的副產物,乳清蛋白是生產干酪過程中進入乳清中的一類蛋白質,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、乳過氧化酶、生長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源。在濃縮乳清蛋白時,選擇合適的濃縮技術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,膜濃縮技術已廣泛應用于食品加工方面的研究。盡管該技術在對資源充分利用的同時達到了節(jié)能減排的效果,但是仍然存在膜污染等問題。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,導致生產率降低。因此迫切需要了解膜污染的形成機制以及開發(fā)有效的污染監(jiān)測方法及預防策略,以預測和控制隨時間變化的膜污染行為。

1 膜污染的形成及影響因素

膜污染形成過程可以分為3個階段：第1階段在超濾過程的前幾分鐘,小分子溶液不斷透過膜,大分子溶質截留在膜表面,膜面的溶質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濃度達到吸附的擬穩(wěn)定狀態(tài)[1]；第2階段在十幾到幾十分鐘之間,溶質在膜表面和膜孔中不斷吸附,膜通量迅速下降,該階段對膜通量起控制作用,第3階段為幾十分鐘后,隨著溶質在膜表面的繼續(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、礦物質和少量脂肪。乳清蛋白膜濃縮超濾過程中膜污染原因主要是乳清蛋白聚集體誘導或增強膜導致。這種現象是由于蛋白質-蛋白質和蛋白質-膜的相互作用力造成的,并且取決于不同的因素,例如pH,進料溶液的溫度和組成,膜的特性(孔徑和材料)以及操作條件(跨膜壓力和錯流速度)[3]。

1.1 pH對乳清蛋白超濾效果的影響

研究顯示,在等于蛋白質等電點條件下膜污染嚴重[4-5]。通量在蛋白等電點處為最小值,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的溶解度和帶電性,蛋白質在等電點處的溶解度最小,容易沉積吸附在膜表面[6]。BSA在不同pH條件下過濾,結果表明,初始通量和最終通量在pH 5時都顯示出最小值,即在等電點處蛋白質的表面聚集和吸附表現出最大值。而在低于蛋白質的等電點處的pH發(fā)現了具有高通量和蛋白質傳遞值。同時發(fā)現過濾初期主要是蛋白質和膜的相互作用,而在過濾后期的高污染狀態(tài)下,主要是蛋白質之間的相互作用導致膜污染增強[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]通過測量α-乳白蛋白(α-lactalbumin,α-LA)、β-LG、BSA、IgG和乳鐵蛋白的通量-時間曲線以及截留率來評估pH對超濾過程的影響,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(分別為正和負),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,膜污染嚴重。

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

1.2 溫度對乳清蛋白超濾效果的影響

溫度對蛋白在膜表面的沉積層結構有間接影響,如果排斥力較低,或由于熱誘導疏水蛋白基團暴露于環(huán)境而引起范德華力增加,就會在膜表面形成致密的沉積層。對于熱穩(wěn)定性較低的BSA,隨著溫度升高,pH高于等電點時蛋白質吸附增加,而低于等電點時吸附不受影響。牛血清白蛋白變性會導致膜污染加劇,如果蛋白質疏水性增加,則蛋白質對固體表面(如膜)的吸附會增強。研究顯示在乳清蛋白微濾過程中,溫度≤10 ℃和>35 ℃時,因為吸附而導致的膜污染更易發(fā)生。10～30 ℃,污垢熱阻與溫度無關[11]。35～40 ℃,污垢熱阻迅速提高。對于<20 ℃的過濾溫度,通量下降是由于形成松散堆積的濾餅所致。溫度>30 ℃時,平均污垢阻力和固體高度均增加,并形成了1個較高的總阻力(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],導致污染阻力降低。高溫下大量沉積物形成,過濾效率最低。當溫度升高時,中性pH范圍內的污染反應更強烈,這可能是由于硫醇/二硫化物反應速度加快和含鈣蛋白質交聯作用的結果。低溫有助于蛋白超濾過程,5和13 ℃有助于蛋白有效結構的保留[13]。溫度>50 ℃時,隨著超濾時間的延長,就會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)過程中的通量下降行為。盡管通量較高,但在較高溫度下進行超濾處理仍會導致較高的不可逆結垢率。在此溫度范圍內,污染物主要是由肽和α-LA組成的蛋白質,僅在50 ℃時存在少量β-LG,礦物質約占結垢物質的0.4%?？梢哉J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β-LG沉積?？赡苡捎谀た椎臒崤蛎浐挺?LG的可逆構象變化。因此,乳清蛋白在超濾的過程中,通過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,但是隨著超濾時間的延長,溫度的增加會使蛋白的疏水基團暴露,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)對超濾效果影響

TMP對膜污染起著重要作用。低TMP下的膜過濾可以減輕污染和濃差極化,但通量較低。較高的TMP可以提高驅動力,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對膜過濾性能的影響。TMP為9 kPa的膜污染最小,而10 kPa的膜污染最大。推測膜污染主要由濾餅層模型引起,濾餅層模型也是10 kPa膜過濾的最重要的結垢機理。在8 k和10 kPa的TMP時,總抗污垢性主要來自于去除蛋白質,多糖大分子容易在膜表面聚集,導致可逆污染。蛋白質傾向于堵塞膜孔并導致不可逆的污染。在剪切應力[τ(w)]為45～341 Pa時,當施加極限跨膜壓力時,通量顯示隨著壁面剪應力的增加幾乎呈線性增加,并在臨界τ(w)處達到峰值,τ(w)的進一步增加導致通量減小,直到穩(wěn)定為止。結果發(fā)現,通量和蛋白質透過率都依賴于ΔPTM。當沉積層被壓縮時,它對蛋白質的透過性降低[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值可能會導致沉積層結構的不可逆改變,即沉積層中酪蛋白膠束的壓縮形成蛋白質凝膠,最高跨膜壓力決定了沉積層的結構以及過濾效率。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力的變化表明,在高τ(w)下孔隙相關的污染決定了過濾性能,而在低τ(w)時,則由沉積物相關的污染決定。

1.4 離子強度的影響

不同離子強度下蛋白質在超濾膜界面的微觀作用行為顯示,當離子濃度達到一定值,則會出現水合排斥力,削弱超濾膜與蛋白及蛋白與蛋白之間的相互作用力,進而導致超濾膜界面的蛋白質吸附沉積速率減緩,降低膜污染。DING等[18]為了系統地了解蛋白質的作用,在BSA存在情況下,研究了再生纖維素超濾膜(通常用于蛋白質分離)的性能,結果表明,由于BSA分子之間的強靜電排斥力,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,可以通過與相鄰蛋白質結合并減少其電荷來增強膜污染[19],Ca2+通過橋連效應將2個相鄰羧基之間的離子橋形成BSA-Ca絡合物,在Ca2+存在下,濾餅過濾模型是主要的膜污染模型。而Na+通過水合排斥力減輕了膜污染。對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驗表明,Ca2+可以減少BSA引起的結垢。不同帶電蛋白質微觀作用力隨離子強度(采用Na+)變化,觀察蛋白質在膜表面吸附量及吸附層結構特征,結果表明,靜電作用力是控制不同電性蛋白質膜污染的主要因素,但當BSA呈電中性和電負性時,離子強度達一定值時,Na+(水合陽離子)產生的水合排斥力則會減小蛋白質-蛋白質及蛋白質-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等電點處。由上可以看出,控制pH和離子強度是控制超濾過程中膜污染的重要因素[20]。

2 利用數學模型對膜污染問題的研究

通量的下降會對過濾過程生產率產生巨大影響,因此通過建立數學模型來預測膜通量的時間演變,將數學模型擬合到實驗數據中。其中完全堵塞、中間堵塞、標準堵塞、濾餅形成等模型通常都被用來分析蛋白質過濾中的通量衰減問題。在利用這些模型進行研究的過程中,大多都表明了膜污染不僅僅是在膜表面形成,同時在也膜孔內沉積,而由于過濾條件的不同,污染的類型也隨之改變。

2.1 串聯阻力模型

在不同數學模型中,半經驗模型既可以實現準確的預測,又可以確定主要的膜污染機制[21]。串聯阻力模型是最常用的。CHOI等[22]采用串聯阻力模型,表明了BSA吸附的微球在微濾過程中滲透通量下降,該模型考慮了2個污垢阻力：由于在膜表面形成濾餅層而產生的阻力和由于污垢分子在膜多孔結構內部的沉積。

(1)

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

為了確定在不同進料溶液和被測膜的結垢程度之間是否具有統計學上的顯著差異,通過Statgraphics Centurion XVI軟件進行了最小顯著差異(least significant difference,LSD)測試。對于此分析,對每種膜和乳清模型溶液進行的每個超濾實驗均重復10次,在所有情況下使用的置信區(qū)間為95%。擬合精度通過回歸系數(R2)和標準偏差(standard deviation,SD)進行評估。在測試的所有膜和進料溶液中,由于吸附和濃差極化引起的阻力在操作的最初幾分鐘內占主導地位,是30 kDa膜結垢的主要原因。而濾餅形成導致的阻力在整個超濾時間內都增加了,這在15 kDa的膜過濾結束時尤為明顯。串聯阻力模型可以解釋結垢阻力隨時間的變化。進料溶液中蛋白質和鹽的濃度越高,結垢程度越大。鈣鹽與乳清蛋白中的有機污垢分子中存在的羧基官能團特異性結合后,可以在有機污垢鏈之間形成橋梁,加速了帶電有機分子的結垢,在膜表面形成了交聯的結垢層,并形成嚴重膜污染。

2.2 組合模型

經典的膜污染模型通常可分為4種類型：膜孔堵塞,中間堵塞,膜孔收縮和濾餅過濾。在許多過濾過程中,單一的簡單模型可能不足以給出良好的膜通量估算值。膜孔堵塞和濾餅模型的組合模型,用于蛋白質過濾中的蛋白質結垢[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,導致膜污染的加聚,使膜阻力增加。同時,也有研究將膜孔堵塞和濾餅模型進行了一些改進用來描述錯流過濾。CORBATN-BGUENA等[23]使用了2個主要的結垢機理(完全堵塞和濾餅形成)和1個與時間相關的孔堵塞參數對滲透通量進行建模,該參數表示完全封閉的膜孔的分數,即被溶質分子堵塞的膜孔占總膜孔的比例。通過以下方法描述隨時間變化的孔阻塞參數(α)的變化,其極限值(α0)和膜孔被完全堵塞的速率常數(b)。每種機理的方程式均取自適用于錯流超濾的Hermia模型。

下列數學方程式顯示了Hermia模型適用于橫流超濾以實現完全阻塞[公式(2)]和濾餅形成機理[公式(3)]以及在這項工作中開發(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,超濾試驗開始時的實驗滲透通量;Jf,超濾試驗結束時的實驗滲透通量;Jmodel,通過組合模型方程計算的滲透通量;JCPB,滲透通量用完整的孔阻塞方程計算;KCPB,完整的孔阻塞模型的Hermia常數;JCF,通過濾餅形成模型方程計算的滲透通量;KCF,濾餅形成模型的Hermia常數;α,孔阻塞模型參數;α0,孔隙阻塞參數的極限值;b,參數α增長的速率常數;t,過濾時間。

一旦獲得了所有測試的進料溶液和膜的滲透通量數據,就可以使用基于Levenberg-Marquadt算法的最小二乘最小化曲線擬合方法(通過MathCad?軟件的“Genfit”功能)。對于每種研究案例,計算回歸系數和標準偏差以表示模型預測的準確性。為了概括獲得的模型參數的值,使用Statgraphics Centurion XVI軟件進行了多次回歸分析,以將每個模型參數(KCPB,KCF,α0和b)與進料溶液特性(鈣和蛋白質濃度)相關聯。將鈣和蛋白質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測的滲透通量下降,然后將其與實驗數據進行比較。結果表明當在2 bar和2 ms-1下用5～30 kDa的膜對乳清模型溶液進行超濾時,該組合模型適合描述滲透通量的時間演變。并證實了組合模型適合于預測乳清模型溶液超濾中的滲透通量下降。但該文獻中參數值并未能反映膜孔徑變大而參數值變小的問題。

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?；谶M料流所施加的剪切應力與所研究的流變學之間的關系確定污垢層頂部的濃度。體積分數大于凝膠點分數φgel的濃縮顆粒懸浮液形成網絡,懸浮液的固相就會顯示出正常的抗壓縮應力。該應力稱為壓縮屈服應力Py。在壓縮屈服應力模型中,結垢層的電阻αc隨結垢層的局部體積分數φ而變化。

下列數學方程式通過將壓縮屈服應力模型應用到LANDMAN等[26]提出的無端超濾中,建立了錯流超濾滲透模型。該模型的詳細說明如公式(5)所示：

體積分數之間的關系φ,和P由公式(5)表示：

Py(φ)=0(0<φ≤φgel)

(5)

在該模型中,將結垢層頂表面的體積分數確定為屈服剪切應力等于剪切應力的體積分數。將模擬的預測值與實驗結果進行比較。根據模擬結果,可觀察到較高的TMP會使在結垢層中的顆粒之間形成更強的網絡。另一方面,由于滲透過程的行為更為復雜。因此KARASU等[25]又對該模型進行了改進,在該模型中,認為通過孔堵塞機理引起的膜污染和可壓縮濾餅層的發(fā)展同時發(fā)生。修改并耦合了孔隙阻塞模型和壓縮屈服應力模型,以給出滲透通量的數值預測。為了構建模型,滲透過程分為3個部分：具有進料流的本體相,可壓縮餅層和發(fā)生堵塞的膜。進料流施加的剪切應力與可壓縮餅層頂部的體積分數有關。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,每個計算步驟都需要迭代時間增量。通過改變孔隙堵塞因子α,蛋白質結垢的初始阻力Rp0和濾餅去除率υ作為模型參數來擬合模型。將基于模型的估計結果與實驗結果進行比較,計算結果與實驗數據擬合良好。根據本研究中提出的結果,可以得出結論,2種模型的組合使用能夠解釋整個錯流過濾過程。

3 監(jiān)測技術探究膜污染問題

通常根據滲透通量的減少或壓力隨時間的增加來監(jiān)測膜結垢。常規(guī)技術沒有提供關于結垢的位置、組成或數量的信息。膜結垢的原位實時監(jiān)測可以提供有關結垢發(fā)展的動態(tài)信息。原位實時監(jiān)控可理解為在線觀察對信號變化的快速響應,并且無需將樣品暴露于環(huán)境中。在線監(jiān)測包括原位監(jiān)測和在線監(jiān)測。而原位監(jiān)測包括將探針引入膜組件(侵入性)或通過該模塊監(jiān)測過程(非侵入性),以及在線監(jiān)測手段以連續(xù)分析進料,截留物和/或滲透物流[27]。

圖1 侵入和非侵入性監(jiān)測方法示意圖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)可以揭示蛋白質反應機理的大量分子細節(jié)。通過差異光譜的表現,可以從整個樣品的背景吸光度中選擇參與反應的蛋白質基團的吸光度帶?？梢杂玫椭良{秒的時間分辨率監(jiān)控吸光度的變化,并跟蹤超過9個數量級的時間段。該技術可以提供與X射線結構分析互補的信息,包括：氫鍵、質子化狀態(tài)、電荷分布,蛋白質反應的時間依賴性,對于揭示超濾過程中蛋白與蛋白,蛋白與膜之間的相互作用具有關鍵作用。

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)是一種光學顯微鏡技術,具有比常規(guī)光學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圖像具可視化膜結構,污垢在孔內和膜表面的沉積以及對污垢和微生物的單獨識別。圖像分析是一種非常強大的工具,可以提供有關孔徑、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的缺點之一是穿透深度短[29]。ELSHEREEF等[30]開發(fā)了將膜樣品平行于Z軸進行切片,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,可被用于超濾過程中的在線表征。與普通的顯微技術一起,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)測法

ELSHEREEF等[30]提出通過利用熒光光譜法收集的數據和通過多元統計技術分析的內在蛋白質熒光來監(jiān)測滲透液和截留液中蛋白質濃度的變化。使用光纖探針(optical fiber probe,FOP)采集滲透液和截留液在不同時間的多波長熒光光譜。通過FOP采集的數據和尺寸排阻色譜法測量的相應蛋白質濃度之間建立校正模型,開發(fā)了多元回歸模型來預測α-LA,β-LG和BSA的濃度。與整個濃度范圍(即0～0.50 g/L)的參考值相比,β-LG和α-LA濃度的模型預測相當合理。同時,在較小的濃度范圍(0～0.10 g/L)內,對BSA濃度的模型預測顯示是準確的。當樣品中總蛋白質含量超過0.10 g/L時,對BSA濃度的模型預測將降低20%,這可能是由于蛋白質與蛋白質相互作用導致的熒光光譜非線性所致。對不同的pH值和跨膜壓力值均顯示出良好的預測。

3.2.2 紫外/可見反射光譜監(jiān)測法

紫外/可見(UV/Vis)反射光譜儀使用紫外可見光譜范圍內的光,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/可見反射光譜可以用來表征膜-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。吸收峰的波長給出了關于污垢中存在的官能團的定性信息,因此該方法可以用于確定污垢層的組成[31]。紫外/可見反射光譜是一種簡單、快速、經濟的技術,被開發(fā)用于實時監(jiān)測,并有望提供信息,從而更好地理解膜污染[32]。GAO等[32]通過UV/Vis光譜與電化學阻抗光譜實現對過濾過程中界面區(qū)域的原位監(jiān)測,研究超濾過程中離子強度對BSA污染的作用。研究發(fā)現,離子強度越高時膜污染越嚴重,并且持續(xù)時間越長。這主要是由于濃差極化(concentration polarization,CP)和電滲回流,導致膜表面附近的鹽離子濃度升高,增加了過濾阻力,膜表面蛋白發(fā)生鹽析現象。

3.2.3 流動電勢監(jiān)測技術

流動電勢(streaming potential,SP)是由多孔材料的兩側之間的電動通量引起的電位差。當電解質由于跨膜的壓力差(橫向流電勢)流過膜時,或者當電解質沿著膜流(切線流電勢)流過時,就會發(fā)生這種現象。在橫向流動時,有助于通過膜和污染層之間電動力學的相互作用測量Zeta電位。SP已被用于研究膜污染過程中Zeta電位對濾餅層形成、濾餅壓縮和孔隙堵塞的響應。WANG等[33]調查了在微污染水處理中在線凝結膜污染監(jiān)測中被污染膜的明顯Zeta潛力。結果表明,在直接過濾過程和在線凝結超濾(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)測膜污染的有用指標。TEYCHENE等[34]介紹了一種通過恒壓電勢測量在線監(jiān)測膜污染的新方法,使電位值與過濾操作參數(如膜表面沉積質量或跨膜壓力)相聯系。本文研究了孔徑約為0.1 μm的聚砜微濾膜被帶負電的乳膠粒子懸浮液(粒徑為200 nm)污染后的極壓性能。結果表明,膜壓和顆粒沉積質量對膜電位變化和結垢速率的影響是相似的,可以作為一種新的結垢指標。

3.2.4 光聲光譜監(jiān)測法

光聲光譜法(photoacoustic spectroscopy,PAS)基于樣品內部電磁輻射的吸收,并結合了光學光譜法和超聲層析成像的功能。SEGAL等[35]結合傅立葉變換紅外-PAS(Fourier transform infrared spectroscopy-photoacoustic spectroscopy,FTIR-PAS)和偏最小二乘(partial least-square,PLS)分析來定量研究多糖存在的情況下超濾膜上的蛋白質污染情況,通過FTIR-PAS對污染的膜進行直接分析,并使用PLS模型估算膜上存在的BSA量。結果表明該方法對BSA濃度估計值相關性很好,典型誤差小于所研究范圍的10%,與多糖濃度無關?？梢赃M行實時原位測量,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 超聲波時域反射儀

超聲波時域反射儀(ultrasonic time domain reflectometer,UTDR)是一種聲學技術,利用超聲波的傳輸和反射在波傳播的介質上提供信息,當超聲波在2種介質中相遇,能量將被分割,產生反射波,相對于入射波,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引起超聲波變化。UTDR已被證實能夠以非侵入性和非破壞性的方式實時測量過濾過程中的結垢情況。但是,大多數先前的研究僅使用頻率小于10 MHz的超聲波在特定位置測量樣品,這些問題不僅造成超聲分辨率不足,無法敏感地區(qū)分細小厚度的污垢,而且也無法獲得有關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,用于平板組件中膜污染層的檢測。通過實驗驗證系統性能并研究結垢沉積在各種過濾條件下的分布。結果發(fā)現結垢沉積是時間和空間相關的過程,并且通過結合分析方法的高頻超聲圖像可以靈敏和快速地評估結垢沉積。

3.2.6 電阻抗圖譜技術

電阻抗圖譜技術(electrical impedance spectroscopy,EIS)是一種原位在線監(jiān)測膜污染過程的有力工具,利用電勢變化引起系統電阻變化?？捎糜跈z測膜和污染層界面上的電導和電容變化。SIM等[37]研究了在RO過濾過程中對結垢過程進行原位EIS測量。研究介紹了利用EIS測量來表征恒流量運行下橫流模塊中的污垢?；驹硎?當將側流連接到較大的螺旋纏繞模塊上時,配備有用于阻抗譜測量的合適電極的橫流反滲透電池可以充當較大系統的“canary”池,以指示運行期間反滲透性能的當前狀態(tài)。模型的基礎是二氧化硅、BSA及其二元混合物。建議EIS可用于膜行業(yè)中RO結垢的早期檢測。馮芳芳等[38]采用電阻抗圖譜技術結合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象,進而對膜孔堵塞、濾餅層形成和濾餅層壓實不同的污染階段重新定義。

3.2.7 橢圓儀

橢偏法是一種光學技術,可用于檢測,量化和導出有關各種表面上吸附過程的信息。在橢圓偏振法中,監(jiān)測從表面反射的入射光和反射偏振光的相變和振幅比。橢圓光度法的應用通常僅限于在吸附/膜污染過程中折射率隨時間變化的界面。而且,它沒有提供具體的化學信息。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被吸附物。由于數據分析依賴于所研究表面的數學模型,計算可能會很復雜,并且結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學建模,限制了其適用性。但從理論上講,在實際的膜過濾中,它通常可以監(jiān)控膜污染的早期階段。

3.2.8 小角度散射技術

小角度散射(small angle scattering,SAS)技術是在與遠大于輻射波長的物體相互作用后,準直輻射束從其直線軌跡的小偏轉或散射。散射的輻射被收集在1個區(qū)分角度的探測器中,提供有關樣品內部結構的直接信息。兩種常見的空間分析技術是小角X光散射(small angle X-ray scattering,SAXS)和小角中子散射(small angle neutron scattering,SANS)。SAXS技術在研究高分子材料的亞微觀結構(納米至數百納米)方面具有獨特的優(yōu)勢,是研究蛋白質結構的一種重要手段。DAVID等[39]使用酪蛋白超微濾池進行原位SAXS,可以探測酪蛋白膠束懸浮液前過濾過程中沉積層的結構分布和濃度分布。SAXS允許在距離膜表面280 μm～1 mm的酪蛋白膠束堆積層的結構,按照從幾納米到大約100 nm的長度尺度進行跟蹤。JIN等[40]研究了使用設計的“SAXS錯流US-偶聯濾池”,通過多尺度表征研究了超聲(ultrasonic,US)對脫脂奶錯流超濾的影響。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力出現的演化過程。通過實時SAXS測量,首次揭示了脫脂牛奶錯流過濾過程中的濃度分布。在不改變酪蛋白膠束內部結構和膜選擇性的情況下,應用超聲(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酪蛋白膠束內部結構的影響,但可以監(jiān)測過濾過程中濃縮層的演變。該方法由于數據分析較復雜,采集時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程中,各因素對蛋白質-蛋白質和蛋白質-膜之間的相互作用機制。改善超濾過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,提高生產效率。本文介紹的部分對膜監(jiān)測的方法還在開發(fā)階段或已在醫(yī)學、生物領域以及研究實驗室中應用的監(jiān)測技術,但未來可以應用在食品領域的膜濃縮過程監(jiān)測。開發(fā)自動化的新儀器以及更有效的數據處理算法和化學計量學方法,從大數據中提取數學信息或統計處理方法,從而提高在線監(jiān)測的準確度,更有效的控制膜污染的發(fā)生。期望在不久的將來對單個技術及其進一步的改進可以與人工智能相結合包括一些數據驅動模型,針對食品工業(yè)中膜濃縮過程的監(jiān)測更加精準和方便。