Мембранные процессы представляют собой физико-химические методы разделения компонентов жидких систем с использованием полупроницаемых мембран. Основное действие мембраны заключается в селективном пропускании определённых молекул или ионов при одновременном задержании других компонентов. Мембраны могут быть органическими (полимерными) или неорганическими (керамическими, металлическими), каждая из которых обладает специфической пористостью и химической стойкостью.
Селективность мембранного процесса определяется размером пор, гидрофобностью поверхности мембраны и наличием функциональных групп, способных взаимодействовать с молекулами растворителя или растворённых веществ.
Мембранные процессы в пищевой химии подразделяются на четыре основных типа:
Микрофильтрация (MF) Поры мембраны размером 0,1–10 мкм обеспечивают удаление взвешенных частиц, микроорганизмов и коллоидов без существенного изменения состава растворителя. Используется для очистки молока, соков, пивных сусел и суспензий ферментов.
Ультрафильтрация (UF) Поры размером 0,001–0,1 мкм позволяют отделять белки, пектин, коллоидные вещества. Применяется для концентрирования белков в молочной промышленности, удаления бактерий и обогащения напитков биологически активными веществами.
Нанофильтрация (NF) Поры размером порядка 0,001–0,01 мкм, мембраны обладают частичной селективностью к ионам. Используется для смягчения воды, частичного удаления солей и органических веществ, концентрирования витаминов и ароматических соединений в пищевых экстрактах.
Обратный осмос (RO) Практически непроницаемые для растворённых веществ мембраны обеспечивают очистку воды и концентрирование растворов. Применение включает получение деминерализованной воды, концентрирование фруктовых и овощных соков, сиропов, экстракцию биологически активных компонентов.
Перенос вещества через мембрану может происходить под действием различных сил:
Процесс фильтрации всегда сопровождается противодавлением и возможной засоряемостью мембраны, что требует регулярной химической или физической промывки.
Полимерные мембраны из целлюлозных эфиров, полиамида, полисульфона и полиэтилена обладают различной устойчивостью к кислотам, щелочам и органическим растворителям. Неорганические мембраны из оксидов алюминия, циркония или титана демонстрируют высокую термостойкость и устойчивость к абразивным и агрессивным средам.
Выбор материала зависит от состава фильтруемого продукта, температуры, pH и химической агрессивности среды. Например, для молочной промышленности предпочтительны гидрофильные мембраны, препятствующие адсорбции белка и образованию геля на поверхности.
Мембранные технологии обеспечивают сохранение биологической активности, вкуса, цвета и питательной ценности. В отличие от термических методов концентрирования, они минимизируют потери термолабильных компонентов. При этом важным аспектом является контроль фактора загруженности мембраны, скорости потока и давления, чтобы избежать деградации продукта и снижения селективности мембраны.
Современные исследования направлены на создание наноструктурированных и функционализированных мембран, способных селективно удерживать отдельные молекулы и ионы, а также на интеграцию мембранных процессов с другими технологиями (например, мембранно-ферментативными или мембранно-ультразвуковыми системами) для повышения эффективности и снижения энергетических затрат.
Мембранные процессы в пищевой химии позволяют оптимизировать производство, обеспечивая высокое качество, безопасность и стабильность пищевых продуктов, а также открывают возможности для инновационных методов извлечения и переработки биологически активных веществ.